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。
