第一階段
1939年5月11日至6月16日，在新巴爾虎左旗境內諾門罕布日德地區及蒙古國哈拉哈河中下游兩岸，爆發了一場震驚世界的“滿”蒙邊境戰爭，即日本、僞滿洲國與蘇聯、蒙古人民共和國的大規模軍事衝突事件。
1939年5月，日本關東軍決定首先在諾門罕一帶進攻蒙古人民共和國，佔領其東部的領土哈拉哈地區，作爲下步侵入蘇聯遠東地區的跳板，進而實現蓄謀已久的“北進計劃”。5月11日，蒙軍第24國境警備隊由山西岸涉水到哈拉哈河以東地區放牧。僞興安警備騎兵第3連駐錫林陶拉蓋哨所的一班士兵立即開槍阻截，並上馬追趕，將蒙軍牧馬人和馬羣趕回西岸。蒙軍第7國境哨所50餘名騎兵攻佔設在爭議地區的僞滿錫林陶拉蓋哨所。
5月13日晚21時，日本關東軍第23師團搜索隊隊長東八百藏中佐奉命率104名騎兵、90名裝甲兵到達距諾門罕尚有80多公里的甘珠爾廟，派出偵查兵進行作戰準備。關東軍司令部將駐齊齊哈爾的飛行偵察第10戰隊、海拉爾飛行第24戰隊、關東軍汽車隊的運輸汽車100輛，歸23師團指揮、使用。
5月14～15日，東八百藏部隊在5架日機的配合下，向哈拉哈河以東的蒙軍742高地攻擊。蒙軍居於劣勢(傷亡30餘名)，主動撤向河西。5月17日，東八百藏率部隊返回海拉爾。蘇聯政府依據《蘇蒙互助協定》而介入，立即將第11坦克旅開往哈拉哈河地區，同時命令駐在烏蘭烏德的摩托化步兵第36師一部向哈拉哈河集合，並將第57特別軍司令部從烏蘭巴托遷到距哈拉哈河125公里的塔木察格布拉格，蘇聯的飛機也不斷在戰事地區集合，並在諾門罕地區飛行偵查。蒙軍騎兵第6師又渡過哈拉哈河，架起浮橋。
1939年5月28日拂曉，由山縣武光大佐負責指揮的第64聯隊一部約1058人、東八百藏中佐搜索隊約200人及僞滿興安騎兵第1、2、8團各一部，分三個方向圍攻蒙軍，結果被蘇蒙軍擊敗，日軍搜索隊戰死115人、失蹤81人，幾乎全軍覆沒，東八百藏本人也被擊斃;而日軍山縣部隊戰死151人、生死不明92人，傷亡率爲20%。
第二階段
6月18日，朱可夫被蘇軍統帥部任命爲第57特別軍軍長。朱可夫到達塔木察格布拉格後，開始集結兵力，儲運軍需，在塔木察格布拉格、桑貝斯(今喬巴山)等地開闢野戰軍用機場，蘇戰鬥機開始在空中與日機周旋。6月19日，蘇機轟炸阿爾山、甘珠爾廟和阿木古郎附近的日軍集結地，500桶汽油被炸起火。6月20日，第23師團全體出動，小松原帶着2萬人向諾門罕進發。關東軍司令部調第1坦克團和第2飛行集團支援第23師，共有12個步兵營、70輛坦克、180架飛機。
6月21日，日軍第2飛行集團團長嵯峨徹二中將把他的司令部從新京(今長春)遷至海拉爾，調來4個飛行團，集中17個戰鬥轟炸、偵察機中隊。6月22日，蘇軍出動150架飛機空襲甘珠爾廟、阿木古郎將軍廟一帶的日軍集結地和野戰機場，日機也傾巢出動。雙方從22～24日，在諾門罕地區上空大戰3天，近60架飛機被打落在草原上。此後，蘇機不斷增多，而且出現新型戰鬥機，日軍則逐漸喪失主動權，處於被動挨打的地位。
6月27日上午3時，137架日機在海拉爾機場起飛，編隊佈滿海拉爾上空。6時20分，日軍機羣到達塔木察格布拉格機場上空，進行狂轟濫炸，機場頓時黑煙覆蓋。日軍作戰部隊向關東軍司令部報告擊落蘇機99架，擊毀地面飛機25架。6月下旬，關東軍司令官命令第23師團儘快發動地面攻勢。兵力共計2萬多人、84輛坦克、180架飛機和400輛汽車。
7月1日，日軍在小林少將的指揮下，6000人的部隊向哈拉哈河西岸攻擊，中午時攻佔河東岸的謝爾陶拉蓋高地。朱可夫組織150輛坦克、154輛裝甲車、90門大炮和全部飛機及其它部隊，分三路反攻。由於巴音查崗高地周圍全是開闊地，非常有利於飛機和戰車作戰，日軍全部裸露在蘇軍坦克和裝甲車炮的面前。
7月3日上午7時，第一批蘇軍轟炸機和殲擊機對日軍進行了轟炸和掃射。同時，蘇蒙軍的大炮猛烈轟擊日軍集羣。這兩股火力立即阻止日軍行進，日軍無法開展火力，只顧匆忙地在沙地上挖掘個人掩體。上午9時，蘇軍第11坦克旅的150輛坦克向龜縮在沙丘掩體的日軍開火。
7月11日，關東軍司令部命令停止攻勢，進行戰線整頓，決定向諾門罕前線調兵。從內地調來獨立野戰重炮聯隊，從奉天(今瀋陽)、北安、齊齊哈爾等地調來反坦克速射炮中隊，給23師團補充武器和兵員，增加飛機和車輛。
關東軍司令部從戰爭一開始，就指示石井部隊擬定在諾門罕地區的細菌戰計劃。
7月13日，石井細菌部隊碇常重少佐帶領22名敢死隊員，在哈拉哈河乘2只膠皮筏順水將22.5公斤傷寒、霍亂、鼠疫、鼻疽等細菌撒入河水中，向蘇蒙軍進行細菌戰。竟有1340名日軍染上傷寒病、赤痢病和霍病，731部隊軍醫和敢死隊員，被細菌傳染而亡命的達40多人。
第三階段
7月23日，日軍在諾門罕前線各部隊經過半個月的補充和休整後，集中25000名兵員，82門大炮全線發動總攻擊。24日，蘇軍發動反攻，日軍退回原地。25日，關東軍司令部下達“停止進攻，構築陣地”的指示。
8月4日，日軍爲實施統一指揮，在海拉爾組建第6軍(轄第23、第8國境警備隊等，司令荻州立兵中將)，兵力約2.5萬人。
爲早日解決諾門罕地區戰事，蘇軍統帥部決定在塔木察格布拉格的第57特別軍擴編成第1集團軍。這是臨時組織的具有獨立作戰職能的多種合成的大兵團。蘇軍集結第1集團軍(6萬餘人，轄3個步兵師，即第57師、第82師、第152師)、摩托化第36師，機械化第5旅，裝甲第7旅、第8旅、第9旅，坦克第6旅、第7旅、第11旅，空降第212旅、機槍第5旅、炮兵第185團，反坦克炮第37、85營，第63、66、150防空營等其他部隊(另附外蒙騎兵第6師、騎兵第8師等部隊)，共計機械化大軍10萬餘人(另外動用鐵路晝夜不停的運送來18000噸炮彈，6500噸炸彈，7000噸燃料，4000噸糧食和4000噸物資、3000輛載重汽車..... 蘇軍一共498輛坦克、346輛裝甲車，542門大炮，515架飛機)。7月15日，朱可夫被任命爲集團軍司令員。
第四階段
蘇軍總參謀部決定總攻時間爲8月20日(星期天)，因爲按照慣例，日軍前沿部隊的軍官有半數要輪流到海拉爾去休假。進攻的命令20日凌晨2點45分傳達到一線連隊，對面日軍陣地一片沉寂，蘇軍反攻做到了最大的突然性。
8月20日凌晨，蘇蒙軍發起總攻戰役。蘇蒙軍以3個步兵師，2個騎兵師，5個裝甲旅，1個機槍旅，1個空降旅以及大量的飛機、大炮，開始舉行大規模的反攻。日軍雖然1輛坦克也沒有，被蘇軍成千噸炮彈猛烈轟炸，還被蘇軍裝甲部隊合圍，但日軍毫無懼色，在陣地上勇敢地和蘇軍激戰。構築在蒙古曠野上的土木機構工事很快被蘇軍的大炮轟成平地，日軍就依託單兵用工兵鐵鍬挖成的簡易單兵掩體作戰。
8月24日，日軍竟然還發起了反擊，3000名沒有炮火掩護的日本步兵被阻止在鐵絲網和野戰工事以及大炮面前，隨後蘇軍坦克開始出擊，日軍後退。戰鬥到8月26日，日軍第23師團已經被完全合圍了。在蘇軍重炮羣、坦克羣、航空炸彈的猛烈轟擊下，日軍第23師團損失慘重。此役，蘇軍重創重日軍第23師團搜索隊，全殲第7師團第26聯隊第1大隊，日軍第64聯隊和炮兵第13聯隊被蘇軍大部殲滅，第64聯隊長山縣武光大佐和炮兵第13聯隊長伊勢高秀大佐均被擊斃，23師團第71聯隊長森田徹大佐亦被擊斃，日軍僅有的22門加農炮全部喪失。
8月31日，在被上萬噸炮彈轟擊第11天后，彈盡糧絕的日軍第23師團決定突圍。2000多名第23師團士兵用手榴彈近戰殺出一條路，突出重圍。日軍各部隊亦隨之突圍。
8月29日，鑑於日軍在諾門坎地區的不利情況，日軍大本營決定在我國關內戰場調集：第5師團(駐青島)，第14師團(駐河南開封、新鄉)，野戰重炮兵第9、第10聯隊，速射炮9箇中隊，16個野戰高炮隊，1個飛行戰隊，22個汽車中隊到達我國東北，以增強諾門坎地區。
同時關東軍司令部調集第2師團10000人、第4師團9800人、第7師團8000人、高炮部隊和國境守備隊主力向諾門坎前進，企圖戰勝蘇軍。但在攻勢發起前的9月3日被日軍大本營阻止。
9月9日，東鄉駐蘇大使向蘇聯提出諾門坎停戰要求。
9月15日，日本駐蘇大使東鄉與蘇聯外交部長莫洛托夫簽訂停戰協定，雙方於9月16日凌晨2時停止一切實際軍事行動。
戰役結果
1939年8月中，歐洲形勢急劇變化。蘇、日兩方亦在八月底後加緊外交談判。蘇軍雖然在遠東取得戰役的勝利，但無意擴大戰果。雙方於9月16日停火，事件最後以日本退讓，承認現存邊界結束衝突。
1940年6月9日，蘇、日兩方正式締結協議。
諾門罕之戰，歷時135天。雙方投入戰場兵員20餘萬人，大炮500餘門，飛機900架，坦克、裝甲車上千輛，死亡6萬餘人。
