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，調來四個飛行團，集中十七個個戰鬥轟炸、偵察機中隊。六月二十二日，蘇聯空軍出動一百五十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，小鬼子的戰鬥機也傾巢出動。雙方從二十二日到二十四日，在諾門罕地區上空大戰三天，近六十架飛機被打落在草原上。但是在後面的戰鬥中，蘇聯的飛機不斷增多，而且出現新型戰鬥機，日軍則逐漸喪失制空權，開始處於被動挨打的地位。

六月二十七日；凌晨三時，為了挽回在制空權上面不利的局面，一百三十七架日本戰鬥機在海拉爾機場起飛，編隊佈滿海拉爾上空。凌晨六時二十分，日軍機群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軍戰鬥機九十九架，擊毀地面飛機二十五架。

六月下旬，關東軍司令官植田謙吉命令第二十三師團儘快發動地面攻勢。集中兵力共計三萬六千多人、裝備了一百八十二輛坦克、一百一十二門各種火炮、一百八十架架飛機和四百輛汽車。七月一日的時候，日軍在小林少將的指揮下，集中一萬五千餘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。朱可夫組織一百五十輛坦克、一百五十四輛裝甲車，九十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。七月三日上午七時，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叢集。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拙個人掩體。上午九時，蘇軍第十一坦克旅一百五十輛坦克向龜縮在沙丘掩體的日軍開火。僅此一戰關東軍損兵了三千餘人，少將以下四十名軍官陣亡。七月十一日，關東軍司令植田謙吉命令停止攻勢，進行戰線整頓，決定向諾門罕前線調兵。從旅順要塞調野戰重炮第三旅團，從關內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，給二十三師團補充武器和兵員，增加飛機和車輛。

而且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。七月十三日，石井細菌部隊碇長少佐帶領二十二名敢死隊員，在哈拉哈河乘兩隻膠皮般頂水將二十二點五公斤傷寒、霍亂、鼠疫、鼻疽等細菌撒入河水裡，向蘇蒙軍進行細菌戰。但是意想不到的事情發生了，最後竟然有一千三百四十餘名日軍染上傷寒病、赤痢病和霍病，七三一部隊軍醫和敢死隊員，被細菌傳染而亡命的達四十多人。

七月二十三日，日軍在諾門罕前線各部隊經過半個月的補充和休整後，集中八萬兵員，近二百門各種大炮和大量對付坦克的速射炮，全線發動總攻擊。二十四日，蘇軍發動反攻，日軍退回原地。二十五日，關東軍司令部下達“停止進攻，構築陣地”的指示。

八月四日，日軍為實施統一指揮，在海拉爾組建第6集團軍（轄第二十三師團、第七步兵師團和第八國境警備隊，司令荻州立兵中將），兵力約五點九萬人

而蘇聯方面也為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五十七特別軍擴編成第一集團軍。這是臨時組織的具有獨立作戰職能的多種合成的大兵團。七月十五日，朱可夫被任命為集團軍司令員。

蘇軍總參謀部決定總攻時間為八月二十日，這是一個星期天，因為按照慣例，日軍前沿部隊的軍官有半數要輪流到海拉爾去休假。進攻的命令二十日凌晨兩點四十五分傳達到一線連隊，對面日軍陣地一片沉寂，蘇軍反攻做到了最大的突然性。

八月二十日凌晨，蘇蒙軍發起總攻戰