关东军第23师团2万余人全线出击，并抽调第1坦克团以及第2飞行集团总计70余辆坦克和180余架飞机增援第23师团。
8月21日，日军第2飞行集团团长嵯峨彻二中将把他的司令部从新京迁至海拉尔，调来4个飞行团，集中17个战斗轰炸、侦察机中队。8月22日，苏军出动150架飞机空袭甘珠尔庙、阿木古郎将军庙一带的日军集结地和野战机场，日机也倾巢出动。双方从22～24日，在诺门罕地区上空大战3天，近60架飞机被打落在草原上。此后，苏机不断增多，而且出现新型战斗机，日军则逐渐丧失主动权，处于被动挨打的地位。
8月27日上午3时，137架日机在海拉尔机场起飞，编队布满海拉尔上空。8时20分，日军机群到达塔木察格布拉格机场上空，进行狂轰滥炸，苏军机场顿时黑烟覆盖。作战结束后，日军作战部队向关东军司令部报告击落苏机99架，击毁地面飞机25架。
8月下旬，关东军司令官命令第23师团尽快发动地面攻势，23师团师团长小松原在收到催促后立即命令日军小林少将所部6000余人向哈拉哈和西岸发动攻击
9月1日，在小林少将的指挥下，6000余人的部队向哈拉哈河西岸发起攻击，并在中午时攻占了谢尔陶拉盖高地。
苏蒙军方面怎么可能甘心阵地被夺？朱可夫立即组织150辆坦克、154辆装甲车、90门大炮和全部飞机及其它部队，准备在巴音查岗高地附近分三路对行进中的日军进行反攻。而且由于高地周围全是开阔地，所以日军几乎全部裸露在苏军坦克、火炮和装甲车的面前，这注定了日军的悲剧。
9月3日上午7时，第一批苏军轰炸机和战斗机对日军进行了轰炸和扫射，同时，苏蒙军的火炮也猛烈轰击了日军集群，这两股火力立即阻止了日军的前进。
遭到攻击的日军无法展开火力，只顾匆忙地在沙地上挖掘个人掩体。上午9时，苏军第11坦克旅的150辆坦克向龟缩在沙丘掩体的日军开火，缺少反坦克火力的日军伤亡惨重。
9月11日，关东军司令部命令停止攻势进行战线整顿，并决定向诺门罕前线增兵。他们从本土调来了独立野战重炮联队、从民国境内调来了反坦克速射炮中队，这大大加强了日军的火力，增强了日军的反坦克能力。
除此之外日军还派出了一支秘密部队——石井部队，也就是臭名昭著的731部队。
9月13日，石井细菌部队碇常重少佐带领22名
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