7月23日，得到关东军直属炮兵部队支援的第23师团再次向苏军发动进攻，其第一次炮火急袭就发射了200吨弹药，蒙古大漠上炮声隆隆，火光冲天。上午10时，日军步骑兵开始冲击苏军阵地。这时关东军炮兵团团长内山突然临时决定延长炮击时间一小时，结果猛烈的炮火准确地落在了发起冲锋的日军队伍中，加上苏军从正面铺天盖地压上来的毁灭性炮火，日军的进攻部队被打得几乎全军覆没。其中山县支队的突击队全部战死，无一幸存；第72联队的第1大队也被炸得所剩无几。经过这场恶战，日军再次败下阵，被迫于25日停止进攻，转入防御。
就在诺门坎陆战如火如荼地进行的同时，空中较量也同样激烈。在最初的空战中，由于苏军航空部队数量处于劣势，飞行员训练不足，结果吃了大亏，有时整队飞机出击，竟一架也回不来。根据朱可夫的请求下，苏军调来包括、伊-15、伊-16战斗机、tb-3轰炸机在内的大量飞机参战，才逐步扭转了不利局面。
在8月2日，苏机袭击了日军在将军庙的机场，日军第7飞行团第15战队队长安部克己航空兵大佐连同他的飞机一起被打烂在地面上。恶战后的诺门坎暂时平静下来，固执的日本人仍死抱着苏军不会在这一地区使用大兵团的判断，积极筹划这新一轮攻势，并做起了歼灭苏军的好梦。8月10日哈拉哈河畔的日军编入第6集团军（指挥官荻州立兵将军）。该集团军兵力约75000人（其一部编在傀儡国家满洲国军队之内），500门火炮，182辆坦克，还有300多架飞机支援该集团军行动。日军指挥部准备于8月24日发动新的进攻。而在战线的那一边，苏军也在紧锣密鼓地作着进攻准备。为了尽快粉碎对蒙古人民共和国的侵略，苏联增派了新的部队。首先将在外蒙古的苏联军队和蒙古军合编为第1集团军级集群（司令员朱可夫），合编后的苏蒙军队编成内计有：约57000人，542门火炮和追击炮，698辆坦克，585辆装甲车，并有515架飞机支援该集群。蒙古军队由蒙古人民共和国元帅乔巴山统率。施特恩（二级集团军级）为首的前线指挥部负责协调远东苏军和蒙军的行动。苏军运输部队使用了大量灾重卡车，在贫瘠干旱的草原上忙忙碌碌的运输着作战物资。为了隐瞒意图，朱可夫采取了很多措施，包括发出大量假电讯信号，发行大量假防御手册，在战线上制造大规模构筑防御工事的假象。从战后日本发行的史料看，苏军的这些措施基本达到了目的，即便是有少许漏洞也未被日军察觉。到8月19日，先后投入到诺门坎的日军有第23、7、2师团和安岗支队等大量加强部队，兵员5万余人，坦克182辆，飞机310架。苏军也加强到57000人，498辆坦克，385辆装甲车，515架飞机。
苏蒙军队指挥部的企图是从正面牵制住日军，尔后对日军集团的两翼实施突击，将其围歼于哈拉哈河与国境之间。按照这一企图，组成了南方、北方和中央三个军队集群和预备队。
1936年8月20日上午5时45分，苏蒙军队集中兵力万人，坦克698辆，装甲车585辆，大炮和迫击炮542门，机枪2255挺，飞机515架，向日军发动全线反攻。苏军大炮开始咆哮，炮击过后不到一小时，近300架苏机突然出现在诺门坎的上空并对日军进行狂轰滥炸。瞬时间，许多目瞪口呆的日军官兵即被苏军强大的火力所吞噬，在钢铁的撕扯和烈焰的燃烧中哭天喊地，40多公里的前沿阵地笼罩在浓烈的炮火之中。面对苏军排山倒海般的炮火，日军的火力还击已经近似于呻吟，以至一些部队请求炮兵部队不要还手，免得招来苏军更猛烈的打击。炮击过后，苏军分南、中、北三路发动进攻，其装甲部队从南北两个方向突向日军阵地纵身。日终前南方集群的步兵部队向前推进了将近12公里，机械化部队则前出到国境附近。蒙古人民革命军骑兵第8师击退了满洲国的骑兵师，占领了边境的几处高地，可靠地掩护了苏蒙军队右翼。北方集群在前进时被日军火力所阻，而当预备队投入战斗后又恢复了进攻。中央集群部队连续冲击，从正面牵制了日军。
21日，为了挽救陆军的命运，关东军第2飞行集团在次发动了对苏军重要基地塔木斯克、桑贝斯等机场的突袭。共有7个飞行大队、119架日机（侦察机9架，重型轰炸机10架，轻型轰炸机24架，战斗机70架）由海拉尔起飞。机群从早上6时开始，分成4个冲击波，对苏军机场进行突袭。
第1冲击波，午前6时，轻型轰炸机12架轰炸了桑贝斯机场。
第2冲击波，11时，重型轰炸机10架，轻型轰炸机12架轰炸了塔木斯克机场。
第3冲击波，下午4时，重型轰炸机10架，轻型轰炸机12架轰炸并扫射了锡林陶拉盖高地附近的苏军坦克装甲群和卡车部队，炸毁坦克、装甲车及卡车60多辆。
第4冲击波，重型轰炸机6架，轻型轰炸机9架对哈玛尔达巴山机场及苏军重炮阵地进行了轰炸。
但是空军所作的这一切，并不能挽救陆军失败的命运。22日，苏军已迂回到了日军的后方，打乱了其后方补给基地。到第2天，日军第23师团的的第71联队遭到了合围，其步兵第3大队被全歼。24日，日军第23师团残部企图作垂死挣扎，但日军刚从被炸塌的工事里爬出来，就遭到苏军战机的俯冲扫射，紧接着又遭到苏军坦克的包抄和攻击。日军所崇尚的刺刀在俄国人的装甲面前变得一钱不值，只能靠少数肉弹去和苏联坦克同归于尽。激战中，日军第23师团师团长小林恒一少将送掉了大腿，其第72联队联队长酒井美喜雄大佐丢掉了左胳膊，他手下所有的大队长、中队长全部战死，整个联队伤亡殆尽。第71联队联队长森田彻大佐率领残部向苏军坦克反扑时，也被苏军坦克机枪打成筛网。
26日，日军的反击彻底失败，第23师团陷入苏军合围圈。完成合围后，苏军开始对日军进行分割歼灭。日军利用数不清的沙坑作拼死抵抗，而苏军则在朱可夫的严令下不计一切代价的硬啃猛打。在苏军的巨大压力下，包围圈开始缩小，日军官兵陷入绝望。29日，身受重伤的日军第23师团第64联队联队长山县武光大佐自杀毙命。同日，日本陆军航空兵头号王牌莜原弘道少尉也在空战中丢了狗命。就在日军眼看就要被全歼之际，苏联人却放松了攻势。趁着苏军这一有意无意的疏忽，日军第23师团仅存的2000余官兵在31日侥幸溜出合围圈。诺门坎地面战役到此也就基本结束。
9月4日和8日，日本人动用新开来的步兵第2师团兵力再次企图侵入蒙古境内，但遭到惨重伤亡，被赶出蒙古边境。日本人不甘心在地面受挫，试图从空中复仇。然而，9月2、4、14、15日的空战过程中，优势始终在苏联航空兵一边。苏联在空战中有史以来首次使用了火箭武器。5架装备pc-82火箭弹的n-16歼击机击落了13架日本飞机。
日本遭到毁灭性的回击后，遂向苏联政府求和。
1936年9月16日，日本关东军在停战协定上签字，这标志着历时135天的诺门罕战争宣告结束。在这场战争中，双方投入战场兵员20余万人，火炮5000多门，飞机900多架，坦克、装甲车上千辆，死伤60000多人。无论空战或坦克战，在当时的世界军事史上都是空前的，骄傲不可一世的日本关东军在这片不足600公里的沙丘地带，损耗了54000多兵员和大量重型武器，并损失了184架飞机，坦克、装甲车800多辆，这次战争使日本政府清楚的认识到，自身与苏联实力的差距。因此，日本内阁制定了要想征服世界必须先征服支那（中国）的战略，并开始将注意力转移到中国，同时将兵力向沈阳、长春等地集结。
诺门坎战役对日本人来说是一个巨大的失败。但是获得胜利的苏军损失也比较惨重：其中战死6831人，失踪1143人，飞机257架，坦克、装甲车309辆。诺门坎战役让日军正确认识了苏军的战斗力。战后，苏日双方达成了暂时的妥协。
媾和之后的日军善后日军对阵亡的高级军官人人追赠，他们是：关东军第23师团参谋长大内孜陆军少将；步兵第64联队联队长山县武光陆军少将；步兵第71联队联队长冈本德三陆军少将，森田彻陆军少将；步兵第72联队联队长酒井美喜雄陆军少将；关东军第1坦克师团第3战车联队联队长吉凡清武陆军少将；关东军第2飞行集团第15飞行战队队长安部克己陆军航空兵少将。
战后为追究责任，日军大本营做了处理。战役后期即撤换了关东军司令官植田谦吉陆军大将、参谋长矶谷廉介陆军中将；战后一个月内又陆续免去了参谋本部次长中岛铁藏陆军中将、作战部长桥本群陆军中将及参谋本部作战部长与关东军司令部作战部长和所有作战参谋等将佐的职务。
新中华抗战风云录