8月20日上午5时40分，苏蒙军队发起了全线进攻。所出动的兵力，为35个步兵营，216门野炮级以上的火炮，498辆坦克，346辆装甲汽车。苏日兵力对比，步兵苏军为日军2倍;炮兵则为3倍;装甲兵则日军一辆坦克也没有。

　　8月26日，关东军司令官植田急调第7师团主力，妄图打破苏蒙军对第23师团的围攻。调驻牡丹江市以东的第2师团、野战重炮兵联队，速射炮部队至战场，又调驻佳木斯的第4师团赶至诺门罕。增援部队相继到达战场时，苏蒙军担任两翼迂回的部队已形成合拢之势，将日军23师团等部团团包围起来，日军多次突围均未成功。31日，小松原带领着2000来人的残余力量从包围圈逃出。苏蒙军队也在自己主张的边境线上停止了追击。

　　9月3日，日军大本营制止了关东军调动兵力重新发动攻势的计划，日本政府开始通过外交途径收拾局面。9月9日，日本驻苏大使东乡同苏联外交当局谈判停战问题，9月16日签订了停战协定。主要内容是：日满军和苏蒙军于9月16日上午2时(莫斯科时间)停止一切军事行动;双方军队停止在9月15日下午1时的控制线上。

　　这次战役日本损失惨重，根据日本公开的史书披露：日本第23师团军医部统计，这次战役参战总人数15975名中间，损失了12220名，其中战死4786名，受伤5455名，失踪639名，患病1340名。这就是说，伤亡率已达到80%。而第6军大炮呗毁28门，自毁20门，损失率竟达72%。

　　在这次战役僵持了4个月之久，日本关东军遭受了溃败，双方宣布停战，而苏联也把注意力转到欧洲战场上。但日本却没有吸取这次教训，2年后太平洋战争又让他们再一次失望的战败。

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