1939年6月4日，鉴于华北日军因为兵力不足迟迟未能打开局面，日军高层再度对华北方面军实施了调整，其中在人事上以筱冢义男中将取代梅津美治郎中将继任第一军司令长官，以原方面军参谋长冈部直三郎中将接替莲沼蕃中将出任驻蒙军司令长官；在隶属部队的编成上首先将原隶属第一军的第一零九师团和第十二军的第一一四师团调回国内复员，随后为了弥补第一一四师团复员后津浦路的力量空缺又从本地及朝鲜抽调第五、第十师团重新编入第十二军，随即又在华北当地利用侨民编组了独立混成第一旅团和独立混成第十五旅团以便调入山西补充第一军的战力损失。
加加减减之后自觉力量得到强化的杉山元大将又生出了再度进攻的心思，他决议抽调集中第十二军所属第五、第十、第廿一、第卅五等全部四个师团和独立混成第五、第六旅团各一部及方面军直属的第卅六、第一一零等两个师团并独立混成第九旅团、第三飞行集团大部再战兰封实施所谓的第三次豫东会战。
杉山元大将企图用六个师团、三个独立混成步兵旅团空前兵力一举碾压中方冀鲁豫、苏徐鲁豫皖两大战区并牵制鄂豫皖战区的力量，在中原地区一锤定音。然而他的算盘刚刚打定，诺门罕战事的不利就迫使日军军部将刚刚编入第十二军的第十师团转调关东军。被抽掉了脊柱的杉山元虽然心中极度不甘，但胳膊拧不过大腿，只好眼睁睁的看着参谋们辛苦拟定的作战计划变成一张废纸。
不过即便第十师团被调走了，但第三次豫东会战却箭在弦上不得不发，为了避免重蹈前两次会战失败的覆辙，华北日军高层想方设法拼凑兵力。好在新任第一军司令长官的筱冢义男中将没有前任梅津美治郎那样桀骜不驯，因此从第一军手中，尾高龟藏中将得到了独立混成第八、第十五两个旅团的8个步兵大队的增援。此后通过协调，第十二军又从驻蒙军手中得到了第一骑兵旅团的指挥权，并经由侵华日军两大军头的对话中获得了华中派遣军在战事爆发后全力牵制鄂豫皖战区的承诺，至此，华北日军勉强有了再次一战的实力。
然而华北日军的作战计划还在修订之中，诺门罕的形势已经急转直下。
7月6日，关东军炮兵司令官内山英太郎在伪满内地组建野战重炮团，不过所谓的重炮只有150公厘的加农炮6门、150公厘的榴弹炮16门、120公厘的榴弹炮12门、100公厘的加农炮16门，比之当时欧洲军队所用的重炮相差了整整一个数量级，而且日军为了弥补“重炮”数量的不足，还特意在这个“重炮团”内拼凑了24门75公厘的三八野炮，更让这个“重炮团”成了一个名不符实的大杂烩。
日军不但重炮数目较少，而且这些火炮性能严重落后，更可怕的是日军欺负惯了火力更加孱弱的中国军队，居然在超远程射击和饱和射击的射击技术上严重落后，因此在7月23日上午的炮击中收获寥寥。收获不多也就算了，这些火炮居然还因为射击时间过长发生了炮架折断、炮身过热、膛炸、炮管烧蚀等故障。再加上此时日军居然忘了在炮击后迅速转移阵地的铁律，结果遭到转移后的苏军反击，大部分火炮被摧毁在炮位上。至此，日军所谓的“火炮决战”又被迫宣告失利。
此时的关东军已经在诺门罕战场上损失了三分之一的兵力，不得不打消了速决速战的念头。此后日军一面收缩兵力在北翼固守，在南翼实施小规模的袭扰作战，一面运来木村准备在荒凉寒冷的蒙古草原上设立越冬阵地，于是双方开始陷入了胶着对峙的局面。
虽说陷入了对峙，但双方谁也没有放弃大打的准备。8月4日，日本陆军大本营组建了第六军，下辖第廿三师团和关东军第八国境守备队。整个第六军总兵力约为7.5万，由53岁的荻洲立兵中将出任司令长官。
与此同时，苏联方面也将第五十七特别军扩编为第一集团军，该集团军所辖兵力约5.7万，装备大小火炮542门、坦克和装甲车383辆，飞机515架，可以说除了兵力不及对手以外，其他方面苏军都占有绝对优势。
当然作为名将的朱可夫深知手中的底牌越多越好，进入八月后，他不断向莫斯科申请援兵。为了打消日军对苏联远东地区的窥视，也是为了震慑西北军，史大林慷慨的予以一概满足，整个八月的前20天里，又有2个步兵师、1个坦克旅、2个炮兵团从苏联境内开抵诺门罕战区，更给予日军致命一击的是，相当数量的参加过西班牙内战的苏军飞行员携带着装备有火箭弹的I-16驱逐机抵达战区，将日军第二飞行集团装备的九七式单翼驱逐机一扫而空，迫使日军不得不使用老旧的九五式双翼驱逐机苦苦支撑。
日军也不是没有反击的办法。关东军司令部从战争一开始，就指示石井部队拟定在诺门罕地区的细菌战计划。7月末，石井细菌部队碇长少佐带领22名敢死队员，在哈拉哈河乘2只胶皮筏顺水将22.5公斤伤寒、霍乱、鼠疫、鼻疽等细菌撒入河水中，向苏蒙军进行细菌战。在造成苏蒙军大量伤亡的同时自食其果的日军也有1340余人染上伤寒病、赤痢病和霍病，就连731部队的军医和敢死队员，被细菌传染而亡命也达40多人。
苏军总参谋部决定总攻时间为8月20日（星期天），因为按照惯例，日军前沿部队的军官有半数要轮流到海拉尔去休假。进攻的命令于20日凌晨2：45传达到一线连队，对面日军阵地果然一片沉寂，苏军反攻做到了最大的突然性。
2：55，苏蒙军炮兵部队对日军阵地实施了长达2小时的炮击，随后出动轰炸机对哈勒哈河东岸的日军防线进行了狂轰滥炸，还不待侥幸逃生的日军庆幸自己的好运，苏军又是排山倒海的一阵饱和式炮击，直炸得日军鬼哭狼嚎狼狈不堪。
当日8：45，苏蒙军开始渡河，经过一天的激烈战斗，苏蒙军顺利在哈勒哈河东岸获得了立足点、桥头堡。此后两天利用人员、技术兵器方面的优势，苏军反复攻击日军各要点，负责日军右翼最北侧富义高地（苏军代号手指高地）的伪满洲国军两个蒙古骑兵团首先被赤蒙骑兵第六师及苏军步兵第601团所击溃，督战的日军搜索队则被苏蒙军团团围住，只有少数日军寻隙在24日夜间逃出生天。
得到苏军开始进攻的消息，日军第六军司令部立刻从海拉尔移动诺门罕，一天后，日军第十四旅团也由海拉尔开抵了诺门罕。得到这一强助，荻洲立兵中将当即制定反击计划，决定以配置在日军最左翼的步兵第廿八联队为主要力量配属第廿六、七十一、七十二各一部向南增援。但当荻洲立兵中将指定的反击时间归零时，“反击部队”的大部分兵力还没有到达指定位置，混乱的日军正三三两两的发动攻击，却正好撞上了苏军右翼部队的进攻，双方在诺门罕鄂博东南方向的“大沙漠”地带展开猛烈交火。
鉴于日军在此地段的抵抗十分顽强，最后苏军只好从预备队中调来一个摩托装甲旅投入战斗，最终突破了日军的战线，绕到其后方。从北面突破的苏军左翼部队也迂回南下，从而对哈勒哈河东岸的日军主力形成了合围，并全歼了布置在步兵阵地之后的日军重炮部队。
在8月24日至26日的战斗中，日军中路的第廿六、第七十一、第七十二等几个联队被打得不成建制，随即被苏军分割包围在几处零散的高地上，覆亡也是指日可待的事了。
此后的几天，日军一面在白天顽强死守，一面分头在夜间逃出包围圈。
8月29日夜间，第六十四联队本部突围失败，联队长山县武光大佐在焚毁了军旗之后自杀。第七十一联队只剩下不到二百人，也烧掉了军旗，在对苏军实施自杀式冲锋后，最终无一逃脱。倒是与第七十一联队一起陷入苏军重围的第廿三师团司令部在苦苦挨到了8月31日后趁着夜色逃脱了最后的审判，不过随着该部日军的逃离，哈勒哈河东岸的日军已经全部被歼，一场大战至此宣告段落。
第廿三师团虽然在苏军的反攻中几乎被全歼，但关东军此刻还不想罢手，在得到第十师团等部的增援后，腰杆更硬的关东军再度驱使第二师团自海拉尔、第四师团自佳木斯分路开向诺门罕，准备再做一场洗雪前耻。
但是关东军准备再战的意图注定要落空了，1939年8月23日正午，两架“秃鹫”运输机载着纳粹德国代表团到达莫斯科。史大林、莫洛托夫和里宾特洛甫通过两次会谈，当晚，两国便正式签订了《苏德互不侵犯条约》。
消息传达日本，有如晴天霹雳一般震撼了日本朝野，军部和政府都主张立刻宣布停战，平沼内阁因此而总辞职，在上层的压力下，关东军这列失控的列车终于心不甘情不愿的停顿了下来······