斯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,苏军反覆攻击日军各要点,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。
斯大林、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。