下午，转移到新阵地上的苏军炮群开始反击，大量炮弹发出令人恐惧的呼啸声，暴风骤雨般砸在了日军炮兵阵地上，阵地顿时成了一片火海。面对苏军排山倒海般的打击，日军还击的火力近乎于呻吟，步兵甚至请求旁边的炮兵千万不要还击，以免招来更猛烈的打击。日军记载：“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，阵地被黑云一般的烟尘覆盖，能见度只有两三米，浓烟遮住了视线，到处是伤员、尸体和损毁的兵器，无一处完好的炮位。”炮战延续了三天，日军已毫无还手之力，骄横的日军垂下了头，炮兵决战又输了。

诺门坎空战是苏联在参加第二次世界大战前夕进行的一场规模较大的空战，不仅沉重打击了日军航空兵的嚣张气焰，夺取了这一地面的制空权，同时又为航空兵支援地面部队作战积累了宝贵实战经验。