接连不顺的日军随后做了半月之久的调整生息，然后集中两三万兵力对苏蒙军开展充满怒火的攻击。而苏联这时也烦了，把在塔木察格布拉格的第57特别军扩编成第1集团军，打算一举灭了日军的气焰。
8月20日凌晨，初秋的北风刮起了最后的硝烟。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，以千吨炮弹猛轰日军驻地，不多时，日方构筑在蒙古旷野上的土木机构工事被轰成平地。当月的最后一天，轻率开战的日方23师团弹尽粮绝。9月15日，苏方接受扛不住想乞和的关东军的停战要求，双方于翌日凌晨结束了所有军事行动。
这场诺门罕之战，历时135天，苏军仅损失6千人就摧枯拉朽般地歼灭了6万日军，打破了日军的"北进政策"。日方无奈之下进而南攻太平洋诸岛，于是偷袭了珍珠港，最后日本法西斯完全覆灭。日本史学家称这场战争为"日本陆军史上最大的一次败仗"。
