3.侵略者的“后顾之忧”
第23师团于6月20日全部出动，小松原带着2万多人向诺门坎浩浩荡荡地进发了，作为战略预备队的第7师团在日军中牌大气粗，很有名气，是甲午战争和日俄战争的双料王牌，被日军公认为战斗力最强悍部队。第1坦克师团是全日本当时仅有的一个坦克师，一直以来就没舍得用过，是被誉为“国宝”的一个师团，这次也上了前线。关东军航空兵主力倾巢出动飞抵海拉尔机场。
“日本第7师团的士兵们在齐齐哈尔附近尘土飞扬的草原上长期接受高强度训练，主要集中于三种日军所重视的技能：刺杀、射击和冲锋。他们反复练习肉搏战，这是一支最精锐的部队。其官兵据说全来自北海道，那地方被认为盛产顽强和冷静的武士。”《纽约时报》1939年7月这样评论过他们。
为了第二次诺门坎之战，关东军动了老本。但日本人也没有想到，他们的对手此刻已换成了苏军一代名将——坦克战专家朱可夫。对于朱可夫来说，在广阔的大草原上玩大兵团作战对付小松原等人是小儿科。
6月27日，日军突然出动大批机群，关东军第2飞行集团共119架飞机在黎明前冲上了天空，飞越国境，深入蒙古领空达120多公里，对塔木察格布拉克机场等军事设施进行了闪电袭击，这次突袭重创了苏军的空军，击落击毁苏军飞机124架。日本此次袭击的目的在于瘫痪对方的空军，试图夺取制空权，为地面部队的攻击创造条件。
7月1日起，第1坦克师团开始对苏军进行冲锋，与此同时，苏军顽强地把守着河东岸阵地。日军的计划是坦克师团在正面进行猛烈的攻击，给步兵主力渡河迂回包抄的机会。7月2日夜，第23师团主力1万余人，在浩尔斯丁河与哈拉哈河汇合点下游13公里处悄悄渡过哈拉哈河，按预定计划到达哈拉哈河左岸，向蒙军第6师发起了进攻，苏联方面对此进行了激烈的抵抗，出动了数百辆坦克回击。在这次战斗中，日本的反坦克炮和用燃烧瓶实行近战击毁行军坦克的战术发挥了威力，又由于日军数量上的优势，拂晓前攻占了蒙军第6骑兵师守卫的巴英查岗高地，天亮后沿河向南推进。诺门坎战区的苏蒙军队即将面临着被包抄的危险。
3日清晨，接到警报的朱可夫立即命令所有预备队不得迟延地向巴英查冈方向前进，同时命令炮兵和轰炸机、歼击机加强对哈拉哈河渡口的轰炸和炮击，阻击日军继续渡河和在巴英查岗山地区的兵力集中。行进间，坦克第11旅前锋部队于上午9时左右向巴英查冈的日军发动进攻，还有摩托化步兵第24团的配合。摩托化装甲第7旅和蒙古军第8师装甲营迎击南下的日军，双方在一望无际的大草原上，展开了一场激烈的厮杀。
苏军勇猛顽强地向日军展开了猛烈攻击，渡河日军遇到苏蒙地面部队的强有力反击，又遭到其炮兵和空军的猛烈炮击和轰炸，加上周围是一片连灌木丛也没有的开阔地，无处隐蔽，伤亡惨重，在当天下午便陷入困境。
下午，战局已经开始对日本转为不利，23师团撤退到哈拉哈河右岸与安冈支队会合。另外，左右岸对敌人阵地实施进攻，安冈支队也损失了40辆坦克败退下来。3日夜，日军开始渡河向东岸撤退。在第23师团渡河作战的同时，安冈支队7月2日傍晚向哈拉哈河东岸苏蒙军阵地发起进攻，苏蒙军以强大的火力猛烈还击，安冈支队3日也陷入苦战，损失严重。但3日夜晚，第4坦克联队利用大雨掩护和苏军的麻痹，奔袭苏军第36摩步师重炮阵地却侥幸得手。从战术意义上来说，这是一次比较成功的奇袭，这也可以说是日军坦克部队在整个诺门坎战争中惟一的一次胜利，因为此前的坦克攻击并不顺利，一直是无功而返。7月4日，偷渡过河的关东军步兵主力被苏军击溃，这样一来对朱可夫将军来说，就可以开始腾出手来收拾正面的日军坦克了。
苏军的两个坦克旅以压倒性的气势冲入日军的战车群中。7平方公里的战场上，亚洲史上第一次大规模坦克会战开始了。苏军的坦克和装甲车等各型现役战车相互配合，近千辆各型战车相互厮杀，炮声不断，火光冲天，硝烟弥漫了整个战场，几乎是把诺门坎当成了新武器的实验场，将日军的八九式坦克打的既无招架之功，更无还手之力。很快，日军的坦克和装甲车就变成了一堆堆冒着黑烟钢铁垃圾。经过这样一番折腾，此后的日军坦克部队基本瘫痪了，安冈坦克师团的溃败震动了东京。朱可夫将军战后评价日军的坦克部队：认为他们的坦克非常落后，战术呆板，很容易被消灭。
5日，日本再次发起进攻，但由于受到坦克和重炮的火力拦截未获成功。晨3时，西岸日军的抵抗被粉碎，开始仓惶退向渡口，但桥梁已被炸毁，苏军的坦克就在后面追击，日军官兵纷纷跳入水中逃命，很多人溺水而亡。还有几千具日军尸体，大量被击毙的马匹，被击毁的火炮、车辆，遍布巴英查岗。
安冈支队会同从西岸撤回的部队一起，于7月7日傍晚再次发动攻势，仍遭失败。10日以后，诺门坎之战彻底陷入胶着状态。第二次诺门坎之战打响不到半个月，关东军损兵折将已近万人，坦克、飞机、装甲车、野战炮等技术兵器损毁过半，日军隐隐感到苏军并不像东京所想的那么好对付。朱可夫将军随后下达了转入全线防御的命令。
看到这种情况，知道在诺门坎短期以内很难取胜的参谋本部，准备由日本方面作出让步，通过承认外蒙和苏联主张的边界线，以结束这场战斗。参谋本部20日调关东军参谋长矾谷回京，拿出“诺门坎事件处理纲要”给他看，纲要主要内容就是打算把事件限制在局部范围，坚守在哈拉哈河右岸，通过外交途径加以解决。但他却以苏联已无进行全面战争的意向，把参谋本部的指导顶了回去，说只有彻底予以打击，问题才能解决。而关东军也坚持说苏联方面的损失也很大，主张再进行一次大规模的进攻。
对朱可夫下达的防御命令，日本荻洲立兵中将也有着他的看法。他认为，苏军进行全线防御，没有进行积极的战斗行动，其实是疲惫不堪，无力发动进攻了，这正是彻底粉碎苏军的好机会。他十分有把握的宣称：苏军最多只能在诺门坎地区集中1100余名步兵和1万名骑兵，而日军的兵力则超过苏军的五倍；况且苏军后勤运输极度困难，甚至行军厨房用的柴禾，也要到500至600公里以外的地方用汽车拉。于是得意的中将将这一切报告给了东京大本营。东京大本营接到这一消息后同样欣喜若狂，立即表示了赞同。
“俄国人在日本的英勇精神面前软弱无力，他们无能力作出重大之举。日本帝国军队占有数量上的优势。俄国人惟一能走的一步棋，就是被迫退到沙漠和沟壑中进行防守。俄国人已经承认自己失败了。”板垣陆相在对记者发表的谈话中这样说道。
关东军更是欢天喜地，他们认为，在诺门坎附近即将粉碎俄国人。但关东军也深刻的感受过苏联的兵力，苏联的兵力比他们预想的要强大，而自己的炮兵力量不足，因此，又由内地调来了三个重炮联队。破釜沉舟，动用了珍藏的远程重炮部队，日本人正在准备进行最后一次毁灭性的突击进攻。
7月15日，关东军驻满洲各地的炮兵开始纷纷的忙碌起来，从旅顺口运来了重型要塞炮，据说这种炮可以摧毁任何防御工事，重型履带牵引车从洞库里拖出一门门炮管硕长的加农炮。关东军拿出了全部家底，7月23日发动了第三次进攻。
日军大口径火炮一起开了火，整个诺门坎战场再一次回荡起巨响，如此大规模长时间的炮击，据记载为日本陆军史上的首次。不过虽然打得硝烟滚滚、热火朝天，但从未受到过超远程射击训练，更未经历过实战的日本炮兵，精度根本不够，打出来的效果很是不尽人意。战至中午，也没有什么好消息传出来，打出近万发炮弹，这种消耗在日军战史上是惊人的，可照这样打下去要不了几天关东军肯定承受不起。当天下午，转移到新阵地上的苏军炮群开始反击。
随着苏军炮弹发出的呼啸声，日军炮兵阵地上顿时成了一片火海。面对苏军暴风骤雨般的攻势，日军还击的火力更近似呻吟，苏军排山倒海般的打击，使步兵吓破了胆，甚至有的炮兵都不敢还击，害怕招来更猛烈的打击。“苏军的还击远远超出预料，密度之大、持续时间之长是从未见过的，黑云一般的浓烟遮住了视线，阵地能见度只有两三米，到处是伤员、尸体和损毁的兵器，无一处完好的炮位。”这就是这次炮击给日军带来的深刻印象。炮战延续了三天，日军已毫无还手之力，炮兵决战输了，第三次进攻失败了，战场再次处于胶着状态。
25日，关东军司令官向第23师团下达了“停止进攻，占领东岸战线，构筑阵地”的命令，安冈支队奉命返回原驻地。苏蒙军队据守在哈拉哈河东岸的桥头堡，日军第23师团与之对阵。关东军被迫转入持久的阵地战，但两翼防备薄弱，又因安冈支队撤离，这里的已无一辆坦克，形势对日军极其不利。
关东军司令部根据参谋本部的指示，签署了命令，派联络官送往各军。命令在8月24日拂晓开始对苏军阵地发动进攻，这一军事机密没有泄露。可是，日军统帅部万万没有想到，苏军比他们提前四天进行了大反攻。原来，持续了3个多月的诺门坎战事，日军虽一再受挫，却没有丝毫退意，这也使得苏军明白，防御其实根本无法遏制日军的疯狂意图。苏军的防御不过是朱可夫将军的计谋，苏军为了使日军弄不清自己的真实意图，不断的发布假情报，同时增派大量的军队准备反攻。连续的胜利已经使苏军士气高涨，是时候大反攻了。到总攻前，苏军的战斗部队已有3个步兵师、7个坦克旅和2个炮兵团在一线准备就绪，另有5个师和大批飞机处于待命状态。
1939年8月20日，是一个晴朗的周日，天气暖和而又平静。日军根本没有做防御准备，有的在照常休假，有的甚至远离自己的部队去了海拉尔。5时45分，朱可夫将军下达了进攻命令，苏军炮兵立即向日军猛烈开火，苏蒙军的大炮突然发出了震耳欲聋的怒吼。在空中，又有千万颗炮弹在日军阵地上开花，150架飞机进行猛烈的扫射和轰炸，日军在炮火中四处奔命。苏军缴获的日军某士兵日记中有过这样的记载：“可怕。人们怨声载道，炮弹隆隆爆炸，简直象在地狱一般。形势十分困难，情况很糟，我们被围了。”战斗在接下来的两天里仍然激烈的进行着，某些地段的日军通过顽强的反抗也发起了反攻，朱可夫也不得不抽调预备队投入战斗。
经过五天的激战，苏军以优势兵力完成了对拥有7万名精锐步兵的日本第6军的合围。苏蒙军终于在8月26日前粉碎了日军的抵抗，随后开始分割歼灭被围日军。
关东军司令官为挽救诺门坎即将被围歼的日军，曾下令把集结在海拉尔的第7师团主力投入战斗，还决定把第2师团和第4师团开赴战场。但扭转战局已无希望，8月29日，第6军司令官向被包围的第23师团长下达了突围的命令，31日晨，该师团约2千名残兵败将拼死战斗，虽然最终算是冲出了包围圈，但同时包围圈内也留下了成片的日军尸体。苏蒙军队推进到蒙古人民共和国所主张的边境线上便停止前进，胜利地结束了战斗。这一战，日军共死伤5万多人，损失飞机180多架，火炮损失达72％，诺门坎前线的日军最后仅剩下400余人，整建制跑出来的只有骑兵联队百十人。苏蒙军仅伤亡6000余人，损失飞机78架、坦克113辆。这对日军来说是一次彻底的失败。