整编完毕后，苏军集结第1集团军（6万余人，辖3个步兵师，即第57师、第82师、第152师）以及摩托化第36师，机械化第5旅，装甲第7旅、第8旅、第9旅，坦克第6旅、第7旅、第11旅，空降第212旅，机枪第5旅，炮兵第185团，反坦克炮第37、85营，第63、66、150防空营等其他部队（另附外蒙骑兵第6师、骑兵第8师等部队），共计机械化大军10万余人，决定发动总攻。
苏军总参谋部决定总攻时间为8月20日（星期天），因为按照惯例，日军前沿部队的军官有半数要轮流到海拉尔去休假。进攻的命令20日凌晨2点45分传达到一线连队，对面日军阵地一片沉寂，苏军反攻做到了最大的突然性。
10月20日凌晨，苏蒙军发起总攻战役。苏蒙军以3个步兵师，2个骑兵师，5个装甲旅，1个机枪旅，1个空降旅以及大量的飞机、大炮，开始举行大规模的反攻。
日军虽然1辆坦克也没有，被苏军成千吨炮弹猛烈轰炸，还被苏军装甲部队合围，但日军毫无惧色，在阵地上勇敢地和苏军激战。
他们构筑在蒙古旷野上的土木结构工事被苏军的大炮轰成平地了，就依托单兵用工兵铁锹挖成的简易单兵掩体作战。
时至10月24日，日军竟然还发起了反击，3000名没有炮火掩护的日本步兵被阻止在铁丝网和野战工事以及大炮面前，随后苏军坦克开始出击，日军以血肉之躯对抗苏军得到的钢铁洪流，很快就败下阵来。
战斗到10月26日，日军第23师团已经被完全合围，在苏军重炮群、坦克群、航空炸弹的猛烈轰击下，日军损失惨重。
此役，苏军重创日军第23师团，全歼第7师团第26联队第1大队，日军第64联队和炮兵第13联队被苏军大部歼灭，第64联队长山县武光大佐和炮兵第13联队长伊势高秀大佐均被击毙，23师团第71联队长森田彻大佐亦被击毙，日军仅有的22门加农炮全部丧失。
10月31日，在被上万吨炮弹轰击第11天后，弹尽粮绝的日军第23师团决定突围。2000多名第23师团士兵用手榴弹近战杀出一条路，突出重围，日军各部队亦随之突围。
10月29日，鉴于日军在诺门坎地区的不利情况，日军大本营决定从关内战场调集：第5师团、第14师团、野战重炮兵第9、第10联队，速射炮9个中队，16个野战高炮队，1个飞行战队，22个汽车中队到达边境，准备增强诺门罕地
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