）发动了细菌战，不慎竟有1340名日军染上伤寒病、赤痢病和霍乱病，就连731部队军医和播毒敢死队员，被细菌传染而亡命的也达40多人。
战事越打越大，日军为实施统一指挥，在海拉尔组建第6军，司令荻州立兵中将率领2.5万日军增援；苏军统帅部也将第57特别军扩编成第1集团军，集结第1集团军（6万余人）、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（另外动用铁路昼夜不停的运送来18000吨炮弹，6500吨炸弹，7000吨燃料，4000吨粮食和4000吨物资、3000辆载重汽车.....）。苏军共计动用498辆坦克、346辆装甲车，542门大炮，515架飞机向日军发动了猛烈进攻。
面对苏军的机械化集团军，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。甚至一度日军还发起了反击。但血肉之躯和武士道精神终究是抵挡不住机械钢铁和大炮的，在苏军优势空军、装甲军的联合打击下，日军终于狼狈突围逃窜。
吃了大亏的关东军司令部调集第2师团10000人、第4师团9800人、第7师团8000人、高炮部队和国境守备队主力向诺门坎前进，准备和苏军再决雌雄；陆军部也在中国关内战场调集：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个汽车中队到达我国东北，以增强诺门坎地区。这要是双方投入战斗，那就是战役级别的战事了，势必不能得以善终。日军大本营出于战争国策的需要，及时阻止了陆军的进攻。9月9日，东乡驻苏大使向苏联提出诺门坎停战要求。此时，欧洲形势急剧变化，苏军虽然在远东取得战役的胜利，但无意扩大战果。15日，与苏联外交部长莫洛托夫签订停战协定。诺门坎战事结束。
诺门罕之战，历时135天。双方投入战场兵员20余万人，大炮500余门，飞机900架，坦克、装甲车上千辆，死亡6万余人。其中苏军投入约10万人、坦克500余辆及装甲车约350辆；死亡失踪人数约9700人，约16000人受伤。日军出动的58000余人中，步兵第23师团整体全军殆尽，第7师团、第8国境守备队、第一独立守备队和第1坦克师团各有损伤。死伤总数不下3万人。但鬼子的一贯做法是尽量往少了报，直到后世1966年，在日本的靖国神社举行了一场“诺门罕事件战没者慰灵祭”的活动，朝日新闻报道中才称这是战死人数为18000人的诺门罕事件战没者慰灵祭.这一战，彻底打醒了日本陆军。相对于苏联红军来说，日军的力量还是大大不如的！而这一战也坚定了日军大本营的决心，坚决执行南下国策，夺取东南亚资源（特别是荷属印度尼西亚的石油）才是正道。