6月29日，日军第1装甲师团（第3、4坦克联队）赶到诺门坎前线，第23师团的64、71、72联队，第64骑兵联队残部，第7师团第26联队、第28联队的一个加强大队，独立野炮第1联队和野炮第13联队，日军工兵第23、24联队，还有一个汽车联队都相继到达前线。日军拥有大炮212门，反坦克炮128门、山炮24门、野战炮36门、90式野战炮24门，飞机180架，坦克82辆，装甲车26辆，汽车400辆。
苏联也在加紧备战。1939年6月1日，朱可夫将军奉命赴莫斯科报到。6月2日，朱可夫来到苏联国防人民委员会，伏罗希洛夫元帅向他宣布调令，调任第57特别军军长。
6月5日，朱可夫赶到该军军部，听取了军区委员会的战报。6月8日，国防人民委员会发布命令，解除第57特别军军长费克连科的职务，由朱可夫继任。
在认真研究和分析前线形势后，朱可夫向国防委员会递交一份急报：“第57特别军的兵力难以阻挡日军的进攻，尤其是日军很可能同时在其他方向发动进攻。请求增加兵力固守哈拉哈河东岸的登陆场，同时做好从纵深进行反突击的作战准备。”
很快，国防人民委员会完全同意朱可夫的行动计划。朱可夫还向国防委员会请求增援不少于3个步兵师和1个坦克旅的兵力，以及增援炮兵和航空兵。国防委员会同意满足朱可夫的要求。在增派的空军中，包括21名苏联王牌飞行员，由白俄罗斯军区著名飞行员斯穆什克维奇领队，同时还投入了最先进的N-16和欧型飞机。
6月22日，实力大增的苏联远东空军与日军航空兵战成平手。随着后方源源不断地充实远东空军，远东空军的实力逐渐超过了日军航空兵。
6月27日，日军100多架飞机空袭远东苏军的3个机场，事后日军向关东军司令部报告击落了99架苏机，击毁地面苏机25架。
7月1日，空战一直在进行，但苏联空军仍没能夺取制空权。
7月2日，日本陆军发起大规模攻势，而朱可夫要求的增援还未到达。
日军总指挥小松原制定了两岸夹攻苏蒙联军的战略方案：一路日军第7师团的第26、28联队从哈拉哈河上游渡河，攻打西岸哈玛尔达巴山，占领山上的苏蒙联军的炮兵阵地，然后炮轰哈拉哈河东岸的苏蒙联军阵地。另一路日军第23师团和第1坦克师团以及“满洲国”兴安骑兵师，进攻哈拉哈河东岸的苏蒙联军，两路日军形成夹攻之势。
7月3日凌晨，日军第26、28联队，在小松原率领下偷渡哈勒欣河，攻打巴英查岗山。上午，日军攻占巴英查岗山及其附近地区，外蒙军骑兵第6师退守巴英查岗山西北地区。
朱可夫接到外蒙军的报告后立即赶赴巴英查岗山地区，他派出侦察群后，命令炮兵第185团的重炮营炮轰日军集结地。他派河东岸的摩托装甲第9旅的炮兵炮轰巴英查岗山上的日军，又派苏军飞机全部起飞轰炸日军。
10点45分，苏蒙联军展开了反攻。苏军飞机轰炸了日军通过的浮桥和桥头阵地，而苏军装甲部队起到了关键作用。日军没有料到如此少的苏军还敢反攻，日本的反坦克火炮摧毁了近百辆苏军装甲车和坦克。但又有几百辆苏军坦克和装甲车滚滚扑来，日军伤亡惨重。中午，苏军装甲部队插入日军防线。苏军装甲部队一部绕到渡口处的日军第7师团26联队附近，切断日军的补给线。苏军装甲部队一部击溃日军第28联队，小松原刚要切腹自杀时，一小队携带反坦克炮的日军炮兵暂时缓解了防线的压力，该小队炮兵最后仅剩6人，小松原率残部撤到山上。
负责正面进攻的日军第23师团和第1坦克师团在安冈中将率领下，分左、右两路进攻。两路日军快速推进，但到第三道防线时遭到苏军火炮的阻拦。日军坦克和步兵联队被苏军分割，日军始终无法突破苏蒙联军的第三道防线。
7月4日，被困在山上的小松原率残部组织的反攻均被苏军击退。5日下午，苏军夺回巴英查岗山头。小松原率残部逃回对岸和安冈会合。
7月7日，空战再次进入高潮。朱可夫派人加紧修筑河岸工事，焦急地等待援军到来。当时，日军仍在兵力上占有绝对优势。苏蒙联军损失惨重，若不是靠几百辆装甲车和坦克，苏蒙联军早已被击溃。
朱可夫连续击退日军于8、9、10日的猛攻。之后，日军再也消耗不起兵力和弹药，开始休整。
7月15日，苏军援兵全部赶到。第57特别军整编为第1集团军，朱可夫出任司令员。第1集团军下辖第36师、第57师、第82师，装甲部队有第11坦克旅，第7、8、9摩托装甲旅，第212空降兵旅。
7月23日，得到补充的日军集中80多门重炮发射了15000多发炮弹，日军想压制苏军的炮火。不料，苏军报之以更加猛烈的炮击。苏军用了半个多月的时候修建了纵深3公里的坚固工事。日军进攻部队遇到了苏军装甲部队的强大阻力，一直没有占到便宜。
日军进攻好几天，无法对付苏军的坦克和大炮，终于明白了苏军重装甲坦克、大火炮的威力。后来，日军被迫停下来修筑防御工事，准备打持久战。
8月12日，在22架轰炸机和炮兵的支援下，日军一个拥有装甲车和坦克的步兵团攻下对岸蒙古军坚守的一块高地。
不久，日军的损失加剧，他们已无力反攻。战况的真相传到日本大本营，由于日本关东军发起这场战争没有经过日本大本营的同意，为此，大本营和关东军闹翻了。战后，大本营向关东军司令部大开杀戒。
8月20日，朱可夫准备已久的苏军大反攻开始。为了完成围歼计划，朱可夫将手中的兵力分为3个集群，即南部集群、北部集群和中央集群。
中央集群：步兵第36师和第82师、步兵机枪第5旅和2个炮兵团。朱可夫的预备队是摩托装甲第9旅和空降兵第212旅。
南部集群：步兵第57师、坦克第6旅、蒙古骑兵第8师、摩托装甲第8旅、坦克第11旅的2个坦克营、1个机动火炮营、防坦克第37营和1个喷火坦克连。
北部集群：坦克第11旅、摩托装甲第7旅、步兵第36师第601团、蒙古骑兵第6师和防坦克第87营。
8月20日5时46分，苏蒙联军持续猛烈炮轰日军的高射炮阵地，接着250架飞机轮番轰炸扫射日军。8时30分，苏军空军再次空袭日军阵地。
8时45分，苏蒙联军在炮火的支援下，强渡哈拉哈河。
在苏联空军、炮兵的强有力打击下，一个半小时内日军无力还击。日军观察所、通信联系和炮兵阵地被彻底摧毁。但日军官兵极其野蛮，在混战中仍拼命阻击，日军宁死不降，使苏蒙联军出现大量伤员。
21日和22日的战斗呈现白热化。在大沙阵地，苏军装甲部队遭到日军的抵抗。朱可夫被迫动用预备队，派出摩托装甲第9旅参战，还调来炮火支援。
8月24日和25日，苏军飞机出动218架次，进行了10次空战，击落日机74架。苏军的装甲部队成功地粉碎了日军增援部队的攻势。日陆军航空兵头号王牌莜原弘道在空战中丧命。
26日黄昏，苏军已经对日军第23师团形成包围之势。随后，苏军装甲部队和摩托化部队开始穿插分割，围攻日军。日军利用战场上的流沙、沙坑和沙丘负隅顽抗，苏军进攻部队感到很吃力。
日本关东军调来第7师团支援被围日军，还准备把第2、第4师团调来增援。日本关东军同时命令第23师团死守阵地。
朱可夫严令苏军不计代价地猛攻。在苏军的强大火力压制下，日军第23师团官兵绝望了。29日，第23师团第64联队联队长山县武光重伤后自杀。
眼看第23师团即将被全歼，此时欧洲大战一触即发。苏军不想使远东战争升级，无心围歼日军。趁着苏军这一懈怠，小松原率2000多人于31日逃出包围圈，第23师团元气大伤。
苏日双方在8月底后加紧外交谈判。8月30日，日本大本营中岛参谋次长赶到沈阳。中岛向关东军司令部传达“停止进攻，长期坚守”的军令。关东军司令植田仍不甘心认输，他不断向中岛及其随行人员苦苦哀求，认为应该用4个师团进攻苏蒙联军，再转入冬季防御，中岛及随行人员被说服。
9月1日，中岛一行抵达日本首都东京，这时，德国入侵波兰的战报传来，第二次世界大战爆发。为了应付突变的世界局势，日本大本营的态度变得谨慎起来。中岛一行返回沈阳关东军司令部后，完全反对原来的进攻计划。
植田又哀求大本营准许发动一次收容死难将士尸体的攻势，此事惹恼了日本大本营。9月3日，日本大本营彻底否定了关东军调动兵力重新进攻的计划，关东军司令植田谦吉、参谋长矶谷廉介被解职。日本政府开始通过外交途径收拾局面。
9月16日，双方停火并签署《诺门坎协定》，9月16日2时，日本关东军和苏蒙军停战，双方交换战俘，并成立委员会来划定蒙古人民共和国和“满洲”的边界。最后，日本承认蒙古人民共和国的现存边界。
一个月内，关东军参谋本部次长中岛铁藏、作战部长桥本群、参谋本部作战部长、关东军司令部作战部长和所有作战参谋均被解职。
战役结束后，苏军公布战报称歼灭5万日军。日军的说法是损失17000人。而日本比较普遍的说法是2万人。事实上，日本不大可能损失5万，因为大部分损失来自只有1万多人的第23师团。
诺门坎战役沉重地打击了日本关东军，奠定了苏联远东边境地区的稳定。这一战役是日本放弃从东方进攻苏联的重要原因。诺门坎战役使苏联避免了两线作战的不利局面，能够集中兵力攻打德国。经过诺门坎战役的惨败以后，日本将“西进”的国策改为南进东南亚。
后来，在莫斯科战役的关键时刻，斯大林抽调远东地区的20个师对付德军，起到扭转乾坤的决定性作用。诺门坎战役期间，日本关东军向中国内地增兵的计划无法实施，也有力地支援了中国的抗战。
1939年11月，苏日开始谈判，双方于12月31日签署《苏日协议》。1940年1月，日本仍推行反苏方针。苏联也对日本不放心，苏联在远东地区部署了强大兵力。1940年3月底，斯大林在一次会议上说：“日本应当懂得，苏联在任何情况下遭到入侵都会反击的。只有日本理解这一点，日苏正常关系才能维持下去。”看到苏联在远东地区的军事部署，日本不得不沿着日苏正常关系的道路前进。
1940年7月27日，日本政府将建立“大东亚共荣圈”作为战略目标，决定迅速恢复日苏友好关系，以避免苏联出兵中国东北。
1940年10月30日，日本向苏联提出新的建议，想缔结苏日互不侵犯条约。在日本提出的条约草案中，日本提议把苏日间一切争议放到缔结条约后再商谈，苏联政府反对日本的建议。
在11月18日，苏联向日本提出苏联拟定的中立条约草案，并声称苏联不同意在解决苏日重要争议前签署互不侵犯条约。
苏联政府提议双方在签署互不侵犯条约的同时，还应签署撤销日本在北库页岛的日本煤炭、石油租让企业的协定。作为回报，苏联政府同意在5年内保证向日本出售10万吨库页岛的石油。
1941年3月23日，松冈洋右赴莫斯科谈判，建议苏联把北库页岛卖给日本，遭到苏联政府的坚决反对。4月7日，松冈赴莫斯科继续谈判，提议缔结互不侵犯条约，并再次要求苏联把库页岛卖给日本。苏联再次拒绝。
4月13日，松冈同意撤销北库页岛的日本租让企业的协定，苏日签署《苏日互不侵犯条约》。《苏日互不侵犯条约》以苏联向日本建议的各条款为基础。
《苏日互不侵犯条约》的主要内容为：双方相互尊重领土完整和不可侵犯；如缔约一方成为第三者的战争对象时，缔约另一方保持中立。
4月13日，双方发表联合声明：“苏联尊重满洲国的领土完整和不可侵犯，日本尊重蒙古人民共和国的领土完整和不可侵犯。”可见，《苏日互不侵犯条约》是苏日双方以牺牲中国利益为前提签署的。
打造“东方战线”
斯大林提出两个分割方案。第一个方案是：根据原先的协定来划分波兰，立陶宛归德国；第二个方案是：立陶宛让给苏联，苏联让给德国更多的波兰领土，包括卢布林省和华沙，波兰领土大部分归德国。
芬兰滑雪部队大部分由职业猎人组成，他们经常从七八百米外偷袭苏军士兵，给苏军造成了巨大的恐慌。苏军派出大量巡逻队，这些巡逻队往往被芬军消灭。许多苏军士兵称芬军为“白色死神”。
过去英法曾将波罗的海三国视为“欧洲反共产主义的桥头堡”，苏联若想兼并，一定会遭到英法两国的反对。但现在英法军队在和德军作战中一败涂地，无力干预远在东欧的波罗的海三国。英法两国也不敢在这时候得罪苏联。
苏军许多将领事后叹道：如果苏军像先前计划的那样在6月12日发动进攻该多好呀！那就比德军进攻苏联的时间提前了10天。事实上，即使苏军真的抢在德军前边动手，苏军所遭受的损失也不会减少。
1939年9月1日，第二次世界大战全面爆发，苏联从本国利益出发，开始营建其西部的战线。这条战线在西方人眼里被视为“东方战线”，可以达到“御敌于国门之外”的战略目的。这条战线里包括波兰、芬兰、波罗的海三国（立陶宛、拉脱维亚、爱沙尼亚）和罗马尼亚。
就在德波战争刚爆发时，德国元首希特勒就催促苏联尽快出兵。在莫斯科，斯大林政府像世界上其他国家的政府一样，对德军在波兰的军事进展如此神速感到震惊。出兵波兰是苏联早就确定的军事计划，但斯大林要选择“适当的时机”，以最大限度地减少苏联在世界各国的负面影响。
9月3日，德外长里宾特洛甫致电苏外长莫洛托夫，建议苏军进驻波兰东部地区。9月5日，莫洛托夫回复德国外交部说：“苏联出兵波兰的时机还没有到呢！”不过他郑重警告，即使德军先到了那里，也必须遵守德苏条约秘密条款的“分界线”。可见，斯大林对希特勒并不放心。同时，斯大林认为德国还需要相当长的时间才能消灭波兰军队。
9月8日，德军已经攻到华沙城下。9月9日下午，莫洛托夫通知德国外交部说，苏联将在几天后出兵波兰。为了使苏联在世界各国面前师出有名，避免使苏军像个侵略者一样，这就必须等到波兰首都陷落后才能出兵。
9月17日晚，斯大林认为，波兰国家和政府不存在，苏联已经不受《苏波互不侵犯条约》的束缚。莫洛托夫在给波兰大使的照会中和对全世界的广播中，宣布苏联军队进驻波兰的原因：“华沙作为波兰的首都已不存在，谁都不知道波兰政府哪去了。波兰已经变成对苏联构成威胁的地方。”与德国密谋瓜分波兰的苏联找到了“体面”的出兵波兰的借口。