朱可夫抵达外蒙之后，为了方便从中苏对峙的西线调兵及从苏联国内运输军用物资，决议在外蒙东部省抢修一条急造军用铁路和一条前线公路。

而与此同时日军也广泛调集兵力不断向诺门罕地区增兵并在甘珠尔庙、阿穆古朗布拉克、将军庙等地抢筑前线野战机场、弹药库、油库、粮秣库等设置。

6月中，双方的军事准备趋于完成，苏军抢先出手于22日调集150余架I-15bis双翼驱逐机轰炸日军在甘珠尔庙一线的机场和仓库。

对此日军根据前线观察哨的报告起飞120驾中岛Ki-27九七式驱逐机迎击，双方猛烈交火，各有损伤，但并无达成决定性的战果，于是在其后的24、26日又再度发生了激烈的空战。

6月27日，日本关东军第二飞行集团调集九七司侦12架、九七轻轰6架、九七重爆24架、九七驱逐机77架编组为4个轰炸机集群，在第七飞行团团长宝藏寺久雄陆军航空少将的率领下从甘珠尔庙及海拉尔机场起飞，袭击了塔木萨格布拉克的苏军野战机场。

苏军并没有从之前与西北的作战中吸取教训，依旧忽视前线机场的防空，结果被日军一举摧毁可前线航空兵近半数的战机，从而在一段时间内失去了制空权。

正当关东军上下为航空兵光辉的战绩欢欣鼓舞之际，东京参谋本部参谋次长中岛铁藏在进宫禀告战况时，却因“擅自轰炸外国领土”遭到了担心苏联借此大肆介入中国战场的昭和天皇的严厉训斥，不得不对相关人员进行了口头斥责。

此举有如一瓢冷水浇到了关东军头上，使得这些战争狂人的士气饱受打击。

不过天皇的斥责也不能让习惯了独走的关东军停下手来，根据辻政信拟定的“反击计划”准备围歼哈勒哈河东岸全部苏蒙军队的关东军出动了驻扎在齐齐哈尔的第七师团和第廿三师团两部和整个关东军第二飞行集团。

7月2日晚间，第廿三师团开始在哈勒哈河上铺设工兵浮桥，准备直捣河西岸的苏蒙军后方，结果却发现手边的工兵浮桥居然只是演习用的架子货，真货已经送到了中国内地战场上。

日军的重炮、战车、装甲车根本无法利用其过河。

不得已日军只好改变作战计划，让第廿三师团所属第廿三步兵团下属第步兵七十一联队、步兵第七十二联队，以及第骑士团所属步兵第廿六联队等部渡河作战。

而第一战车师团师团长安冈正臣中将则率领战车第三、第四联队、野炮兵第十三联队第1大队、步兵第廿八联队第2大队、工兵第廿三联队等部组成安冈支队留守河东岸遥做支援。

日军的行动一开始的确达到了突袭的效果，渡河的三个日军步兵联队很快占领巴音查干山借此对苏蒙军形成了合围的形势。

但随着日军的继续前进，日军很快便遭遇到苏军坦克部队的反击。

当时日军打坦克的战术跟中国军队差不多，都是用抵近使用手榴弹、燃烧瓶的战法，只有少有37公厘速射炮可以在较远距离上打击苏军的坦克。

中方固然是因为物资基础薄弱而不得已的行为，但日军却以为靠着“忠义精神”的“精神原子弹”必然能以肉弹击破钢铁，当然日军的物资基础只是略比中方要好，对此日军却重来都是讳言的。

因此，当面对苏军超过400辆以上的坦克的排山倒海的攻击，日军根本无力抵抗，在挣扎了一番只好，只剩下空壳的三个日军步兵联队被迫在7月5日撤回了河西。

同在7月2日夜晚，安冈支队则利用夜间大雨的机会奔袭了赤蒙骑兵第六师和苏军第卅六摩步师的重炮阵地，一举摧毁苏蒙军重炮十余门、装甲车十余辆，以及坦克两辆。

但日军这一难得的战术胜利很快就被己方的惨败所抵消，7月3日，战车第三联队妄图正面冲击苏蒙军在哈勒哈河西岸的阵地，结果几乎被早有准备的苏军全歼，联队长吉丸清武大佐也在跳出战车后被苏军狙击手准确狙杀。

7月4日，苏军集合两个坦克旅在火炮下实施反攻，用宽正面、高速度的传统集群坦克战术展开了诺门罕战役中最激烈的一场坦克战。

在不足10平方公里的狭小战场上，苏日双方一千多辆战车混战在一起，T-28、T-26和八九式互相轰击，BT-6、BT-7与九七式交锋，BA-6、BA-10则迎战九五式。

一番混战之后，日军武器落后、装甲单薄、机动性能奇差的各型战车、装甲车根本无法抵御苏军的坦克，几乎被苏军全歼，只有极少数的日军借助沙尘暴的掩护逃离战场，至此，日军的战车部队已经失去了再战的能力。

在“渡河作战”和“战车对决”中先后失利的日军不甘心自己的失败，于是使用起并不拿手的“夜战”来，说起来，“夜战”不愧为军事力量薄弱的一方扭转战局的法宝，就是日军这样的“半吊子”（注：当然日后日军会变得无比娴熟）也在夜间打得苏军哭爹喊娘的。

不过正如太阳的热力将消融冰雪一般，移到天亮战局的优势便转到了苏军手中，由此形成了血腥无比的拉锯战，双方都因此，损失了相当数量的兵力。