ソ連軍の作戦構想は、日本軍の両翼に強力な打撃を加え、日本軍をハルハ河東岸の外モンゴルが主張する国境線内に補足して包囲殲滅することであった。このためソ連・外蒙軍は、日本軍主力を拘束する正面攻撃の中央集団と両翼を攻撃する南北の各集団を編成し、８月２０日早朝全正面にわたって大規模な総攻撃を開始した。ソ連軍は以降の戦闘を二つに区分した。

　　　　　第一期　８／２０〜８／２３　日本軍の分断と包囲
　　　　　第二期　８／２４〜８／３１　日本軍の撃破と殲滅　であった。

＜ソ連・外蒙軍＞
狙撃２個師団　自動車化狙撃１個師団　機関銃１個旅団　戦車２個旅団　ほか
装甲車３個旅団　空挺１個旅団　モンゴル軍２個騎兵師団
兵員５７０００名　戦車５００輌　装甲車３８５輌　火砲・迫撃砲５４２門　飛行機５１５機　諸説あり

＜日本・満州国軍＞
兵員２万数千名　戦車０輌　火砲・迫撃砲１００門

これに対して第２３師団は攻勢移転計画を示達し、反撃を試みた。その方針は、ソ連・外蒙古軍を深く日本軍陣地に誘致する一方、攻撃部隊がソ連・外蒙古軍の側背に向かって攻撃前進し補足撃滅する、というものであった。しかし実際には日本軍の攻撃兵力は弱小である上に準備不足であり、縦深性に乏しい陣地は正面が過広であり、場所によっては陣地間の距離が４Ｋｍから６Ｋｍも離れ、防御用の鉄条網も設置されていなかった。

ソ連・外蒙軍の猛攻下に態勢を転換し、２４日予定どおり攻撃を開始したのは５個大隊であり、混戦状態のなか、優勢なソ連軍を圧迫し逐次敵中に突入したが、かえって被包囲の態勢に陥り、敵戦車の逆襲がしきりと行なわれ、部隊は分裂し、ついには後退させて掌握しなければならない状況となった。この夜右翼の拠点フイ高地も落ち、８月２６日から防御に立つのやむなきに至り、２９日には日本軍は外蒙古軍の主張する国境線から完全に駆逐されてしまったのである。

中でも第２３師団は、第一次事件ですでに１個聯隊全滅を経験していたが、その後補充を受け増強されていたものの強力な装備をもたないままで第一線に配備されていた。そして２４日の攻撃に際し、小林恒一少将指揮の歩兵団は、ホルステン河東方の第一線に配備されたが、終日苦戦の末、夕刻に敵陣に突入した。ところがそこを敵戦車に蹂躙され、初期の戦闘とは異なり新型戦車には肉薄攻撃は通用しないまま、歩兵団は大混乱に陥り、ほとんど壊滅的な打撃を受けて後退、小林少将自身戦車の下敷きになって重傷を負った。さらに２８日から２９日にかけて、師団司令部をホルステン河北方に移そうとしたところ、占領されたフイ高地方面からの攻撃を受け師団全体がソ連軍戦車群に完全に包囲されてしまった。山縣支隊長と野砲兵第１３聯隊長伊勢大佐は脱出に失敗、自決した。小松原師団長も軍司令官宛ての遺書を残して最後の突撃に移る決心まで固めていたが、軍司令官の厳命によって３１日零時に辛うじて脱出、多くの将兵とともに後退に成功した。

歩兵部隊のみならず、協力した砲兵部隊の多くが火砲と運命を共にし、壊滅的打撃を受けた日本軍は、ソ連側の主張する国境線外に撃退された。軍司令官は、戦闘に参加していなかった第７師団主力にノモンハン付近を確保させ、新来の部隊を待って今後の作戦に備えるしかなかった。ソ連軍は日本軍の誘致を待つまでもなく次々と我が陣地を分断、包囲し、戦況は急速に悪化していった。

９月１５日モスクワにおいて、東郷駐ソ大使とモロトフ外務人民委員の間で合意が成立、９月１６日　停戦協定が共同発表された。国境線については、日、満、ソ、外蒙の間で協議が続けられ、昭和１５年６月９日合意が成立した。確定した国境線の大部分はソ連、外蒙古が従来より主張していた線であった。

第２３師団長小松原道太郎中将は、事件終結後東京に帰還（後任師団長　井上政吉中将１８）、のち待命となった。英霊を悼んで自宅に篭ることが多く、昭和１５年１０月、自殺のような病死を遂げた。

�@　ソ連軍地上主戦力である砲兵、戦車の火力及び装甲装備が、日本軍とは段違いに強力である
�A　遠隔地への戦場へ多量の軍需品を輸送集積可能な、驚嘆に値する補給能力
�B　帝政ロシア軍のような墨守性はなく、一戦闘ごとに戦法を改めていくだけの融通性
�C　想像以上にねばり強かった

ノモンハン事件後、陸軍中央部では「ノモンハン事件研究委員会」を設けて、ソ連軍の実力の評価、日本軍の軍備と対ソ戦法の再検討を行なった。約３ヶ月をかけた研究委員会の報告は、陸軍軍備については、日本軍の火力装備が著しく劣っているからこの際徹底的に改編すべきか、或いは現装備にある程度の火力装備を増強する程度にとどめるべきかの根本問題に論議が集中された。
この論議の奥にひそむものは、我が陸軍の伝統である歩兵主兵主義、白兵主義をどう捉えるかにあった。しかし陸軍中央部の主流的な考え方は現代戦における物的戦力の著しい進歩に目覚めることなく、依然として精神主義の優位性を高く評価するものであった。欧州大戦（第一次世界大戦）において日本陸軍は近代火力の洗礼を受けなかったため、日露戦争当時の火力感覚から完全に脱却できなかったのである。また本事件を「近代戦一般に属するものではなく、局地における特殊な戦闘」と位置付け、暗に中央部の責任を回避したことも大きな禍根を残した。近代戦の範囲に属しないのであれば、結論は違った方向に出てくることになる。

奇しくもそのころ第二次欧州大戦が始まっていた。陸軍当局は独軍の目覚しい作戦振りに目を見張り、ノモンハン事件の教訓よりも独軍の戦訓を参考にしたいとする気持ちを強く抱くに至った。この思念がのちの山下軍事視察団のドイツ派遣へと発展し、ノモンハンの戦訓は重視されないまま大東亜戦争を迎えることとなった。

しかるにノモンハン事件にもっとも大きな影響力を与え、実質的な責任者と言われた関東軍司令部第一課（作戦）参謀の多くは他の閑職に転属を命じられたに過ぎなかった。終始事件の拡大を主張した服部卓四郎中佐は千葉歩兵学校付に、辻政信少佐は中支第１１軍司令部へ転出、これらの参謀を指導・監督する立場であった高級参謀寺田雅雄大佐は千葉戦車学校付、大本営作戦課長の稲田正純大佐は習志野学校付である。しかもこれら転勤者はその後、いつの間にか中央部の要職に返り咲いていた。中には大本営作戦課の重要ポストを占めた者もいた。申し訳程度の左遷であったのである。

信賞必罰は陸軍部内では公正ではなかった。積極論者が過失を犯した場合、人事当局は多めに見てしばしば転属という手段で形式的に解消された。一方自重論者は、積極論の前には卑怯者扱いにされ易く、もしも過失を犯せば手厳しく責任を追及される場合が少なくなかった。結果よりもプロセスや動機を、合理性・論理性よりも積極性を、それぞれ重視することは、声の大きな者の突出を助長することとなり、さらには作戦結果の客観的評価・蓄積を制約し官僚制組織における下克上を許容していった。

＜五家子事件＞
琿春正面における五家子付近の第９国境陣地は、もともと防界線たる国境に設けられ、その構築の時期から紛争が絶えない代表的地域であった。昭和１９年７月２９日　我が国境守備隊が鉄条網を補強したところ、その夜当面のソ連軍がこれを撤去した。続く８月１日夕刻　別個所の捕備工事を実施していたところ、ソ連軍から射撃を受け下士官・兵各１名が負傷した。ソ連軍側は一時１個中隊内外の兵力を進出させ緊張が高まったが、間もなく平静に帰した。

＜モンゴシリ事件＞
五家子事件が再発した８月１日１０００頃、五家子と対象の位置にある満州里北東約６０Kmのモンゴシリ（カイライツェフスキー対岸）付近にソ連兵６名がアルグン河を越えて進入し野草に放火、翌日にも約１０名が現出し、満州国国境警察隊員に射撃を加えた。更に８月８日に至り２名のソ連兵が越境し、前回同様、警察隊員を射撃し負傷させた。また９日には１０名内外のソ連兵が集結し、偵察飛行をも行なった。

両事件ともに発展することはなく、爾後平静に帰したが、東西両地域において時を同じくして発生した国境紛争に対し、大本営は殊に心痛し、仮に満州国境警察隊所在の台地を占領されても兵力行使はもちろん、兵力移動をも避けるように要求した。関東軍においても絶対不拡大の方針を厳達していた。ノモンハン事件前における「侵さず侵されず」を基本とした関東軍の国境警備は、状況によっては兵力をもって警備しなくてもよい、の域にまで緩和された。