八月中旬，蘇軍在朱可夫的指揮下向三十公里長的戰線發起全面進攻。蘇軍投入總兵力約五萬七千人，并配以炮擊及空軍支援。早在戰前朱可夫就向斯大林提出要求統帥部務必在一個月內從南歐、外高加索與白俄羅斯抽調兩個坦克師、一個機械化炮兵師開赴諾門坎前線。此外，朱可夫還要求火速增加三個航空兵師和四個機械化防空炮團。
    朱可夫曾在1938年到中國擔任國民政府的首席軍事顧問，對日軍的作戰能力和作戰方式非常了解。事后證明，朱可夫這些舉措是非常有必要的，要不是在技術裝備上占據了絕對優勢，蘇軍必將收獲一場慘敗。萬幸的是，斯大林同意了朱可夫的要求。
    日軍呢？在開戰前，就發生一起令人驚訝的事情。第23師團軍需官自殺了。
    為什么自殺？原來在出征前，日軍通過航空偵察判斷哈拉哈河（也就是諾門坎一帶）區域有蘇軍1000輛左右的坦克與裝甲車，兵力在8到10萬左右，而日軍當時缺乏彈藥，各種炮彈奇缺，出戰的討伐隊幾乎無法得到炮火支援。
    這種情況下，日軍高層還要堅持出擊，以寡擊眾，所以第23師團的軍需主官感到難以理解。當時日軍關東軍當時的全部炮彈儲備還不夠一個會戰份（平均每門炮只有30%會戰份），這引起了第23師團軍需官的極度擔憂，強烈要求師團與關東軍司令部取消這一作戰行動，認為當時已經確認爭議區以及哈拉哈河西岸，蘇軍集結了大規模的戰車部隊，日軍在炮彈都嚴重不足的情況下，派出本來就不很強大的第23師團進攻，恐怕會遭到嚴重打擊而失敗！
    但這個停止攻擊的建議被第23師團與關東軍司令部拒絕了。日軍高級將領對蘇軍的印象還停留在日俄戰爭時期，其作戰依據竟然還是“俄軍一旦后路被斷，馬上就會全線崩潰”的日俄戰爭的“老經驗”。關東軍認為毛子軍戰斗力很低。英勇的日本陸軍完全能夠在無炮火支援的情況下，擊敗擁有大量坦克支援的優勢數量蘇軍，所以不但不聽從第23師團軍需官的建議，反而指責其信心不足，不是合格的帝**人。因此第23師團軍需官承受不了壓力，在部隊出動之時自殺。
    讓關東軍沒有想到的是，蘇軍雖然場面上難看。但有朱可夫在，一直沒有崩潰。結果準備不足的日軍就被動了，由于彈藥接濟不上，很快由攻勢轉入全面守勢。朱可夫等得就是這個機會，他們這一退，蘇軍馬上就壓上來了。
    決戰開始了！
    蘇軍分三路進攻。
    北翼最先以機械化步兵進攻。吸引日軍增援。中部則以步兵牽制日軍主力。南翼集中一個步兵師、一個裝甲旅，約一萬人及三百輛坦克，配合火炮、空軍向快速北迂回，從側翼包圍河東的日軍。
    8月20日，蘇軍渡過哈拉哈河。
    日軍的作戰策略則是以前線部隊阻擋敵軍進攻，等待蘇軍的進攻力減弱后，以援軍從側面包圍蘇軍。但是蘇聯閃電戰式的立體機動作戰。特別是大量投入的裝甲兵，迅速突破了日軍的防線。
    8月24日，蘇軍南北兩翼在諾門罕合圍。日本關東軍第23師團的主力被團團包圍，前來增援的第7師團嚇得掉頭就跑。
    8月27日，日軍第23師團經過一番苦戰后也突圍了，但是損失巨大。
    戰后蘇聯宣稱大勝，全殲日本關東軍第6軍6萬余人，生俘3千人。自身損失4千人。日本也宣稱自己取得了勝利，但是沒有公布自身傷亡人數。
    據1991年蘇聯解體后解密的檔案顯示，蘇軍真正死亡人數約為八千人，超過一千人失蹤，另外一萬六千人受傷。而關東軍第6軍的軍醫部提交給軍隊高層的報告表明了日軍的陣亡人數為7696人，負傷人數為8647人，下落不明的人數為1021人。
    技術裝備上。蘇軍損失裝甲車輛超過350，飛機250架；日軍損失坦克30輛，飛機180架。
    由此可見，蘇軍雖然取得了最后的勝利。但損失比日軍要大得多，充其量只是一場慘勝。其實作為日軍主力的第23師團并不是什么精銳部隊，很多官兵都是第一次上戰場，但是發揮得非常出色。這應該歸終于日軍良好的軍事訓練和出色的技戰術水平。
    二戰后有記者采訪朱可夫將軍，問及一生中最艱難的時刻時，他回答是哈拉哈河戰役。朱可夫對日軍的評價是下級軍官很優秀，戰斗很狂熱，但是越往高層越爛，特別是含金湯匙出生的高級將領只能用無能形容。
    其實也不是完全無能，主要是裕仁天皇反對在中國戰局未定的情況下與蘇聯發生全面沖突，并禁止給關東軍提供補給。打到最后，關東軍無以為繼，四處搜羅連同開始就配屬給23師團的火炮才湊了80門左右的火炮，一共向前線輸送了19000發炮彈，而這點炮彈竟然相當于當時關東軍炮彈總儲備量的75%！
    后來在格勒烏（俄羅斯聯邦軍隊總參謀部情報總局，即gru）任職的瓦西里.諾沃布拉涅茲上校曾參與過該戰役。他在回憶中認為蘇軍的戰斗有很多缺陷，是靠巨量的人力傷亡和兵器優勢打勝的。如蘇軍彈藥消耗達到31000噸，相當于庫爾斯克戰役消耗量的15%。日軍方