但這個停止攻擊的建議被第23師團與關東軍司令部拒絕了。日軍高階將領對蘇軍的印象還停留在日俄戰爭時期，其作戰依據竟然還是“俄軍一旦後路被斷，馬上就會全線崩潰”的日俄戰爭的“老經驗”。關東軍認為毛子軍戰鬥力很低，英勇的日本陸軍完全能夠在無炮火支援的情況下，擊敗擁有大量坦克支援的優勢數量蘇軍，所以不但不聽從第23師團軍需官的建議。反而指責其信心不足。不是合格的帝**人。因此第23師團軍需官承受不了壓力，在部隊出動之時自殺。

讓關東軍沒有想到的是，蘇軍雖然場面上難看，但有朱可夫在。一直沒有崩潰。結果準備不足的日軍就被動了。由於彈藥接濟不上。很快由攻勢轉入全面守勢。朱可夫等得就是這個機會，他們這一退，蘇軍馬上就壓上來了。

決戰開始了！

蘇軍分三路進攻。

北翼最先以機械化步兵進攻。吸引日軍增援。中部則以步兵牽制日軍主力。南翼集中一個步兵師、一個裝甲旅，約一萬人及三百輛坦克，配合火炮、空軍向快速北迂迴，從側翼包圍河東的日軍。

8月20日，蘇軍渡過哈拉哈河。

日軍的作戰策略則是以前線部隊阻擋敵軍進攻，等待蘇軍的進攻力減弱後，以援軍從側面包圍蘇軍。但是蘇聯閃電戰式的立體機動作戰，特別是大量投入的裝甲兵，迅速突破了日軍的防線。

8月24日，蘇軍南北兩翼在諾門罕合圍。日本關東軍第23師團的主力被團團包圍，前來增援的第7師團嚇得掉頭就跑。

8月27日，日軍第23師團經過一番苦戰後也突圍了，但是損失巨大。

戰後蘇聯宣稱大勝，全殲日本關東軍第6軍6萬餘人，生俘3千人，自身損失4千人。日本也宣稱自己取得了勝利，但是沒有公佈自身傷亡人數。

據1991年蘇聯解體後解密的檔案顯示，蘇軍真正死亡人數約為八千人，超過一千人失蹤，另外一萬六千人受傷。而關東軍第6軍的軍醫部提交給軍隊高層的報告表明了日軍的陣亡人數為7696人，負傷人數為8647人，下落不明的人數為1021人。

技術裝備上，蘇軍損失裝甲車輛超過350，飛機250架；日軍損失坦克30輛，飛機180架。

由此可見，蘇軍雖然取得了最後的勝利，但損失比日軍要大得多，充其量只是一場慘勝。其實作為日軍主力的第23師團並不是什麼精銳部隊，很多官兵都是第一次上戰場，但是發揮得非常出色。這應該歸終於日軍良好的軍事訓練和出色的技戰術水平。

二戰後有記者採訪朱可夫將軍，問及一生中最艱難的時刻時，他回答是哈拉哈河戰役。朱可夫對日軍的評價是下級軍官很優秀，戰鬥很狂熱，但是越往高層越爛，特別是含金湯匙出生的高階將領只能用無能形容。

其實也不是完全無能，主要是裕仁天皇反對在中國戰局未定的情況下與蘇聯發生全面衝突，並禁止給關東軍提供補給。打到最後，關東軍無以為繼，四處蒐羅連同開始就配屬給23師團的火炮才湊了80門左右的火炮，一共向前線輸送了19000發炮彈，而這點炮彈竟然相當於當時關東軍炮彈總儲備量的75％！

後來在格勒烏（俄羅斯聯邦軍隊總參謀部情報總局，即gru）任職的瓦西里。諾沃布拉涅茲上校曾參與過該戰役。他在回憶中認為蘇軍的戰鬥有很多缺陷，是靠巨量的人力傷亡和兵器優勢打勝的。如蘇軍彈藥消耗達到31000噸，相當於庫爾斯克戰役消耗量的15％。日軍方面，7月攻勢中82門火炮儲備了3萬發炮彈用於進攻，平均每門炮備彈366發，大致是平均每門炮30％會戰份，遠低於1937年在中國戰場平均每門炮約50％會戰份彈藥的標準。

蘇軍之所以打得這麼差。主要還是持續的肅反嚴重影響了部隊士氣和戰鬥力。看過相關肅反材料的人都知道，捱整的人基本上都是能力較為出眾的，結果整來整去，優秀人才一掃而空。剩下官兵們也提心掉膽，生怕哪天落到自己頭上。

當時蘇軍普遍怯戰，官兵逃亡的很多，逼得朱可夫連續撤換了兩名堅持要撤退的師長，並下令將坦克駕駛員鎖在坦克裡面！可見當時情形險惡到什麼程度。

值得一提的是，日軍731部隊在此戰首次使用了細菌武器：派敢死隊在蘇軍取水源頭上游的holsten河投入了炭疽菌，但是給蘇軍造成的病倒效果不好。經檢討認為是因為細菌在水中失去活性。只有一名日本兵感染身亡。中國有資料卻聲稱反給日軍造成了120