第一阶段
1939年5月11日至6月16日，在新巴尔虎左旗境内诺门罕布日德地区及蒙古国哈拉哈河中下游两岸，爆发了一场震惊世界的“满”蒙边境战争，即日本、伪满洲国与苏联、蒙古人民共和国的大规模军事冲突事件。
1939年5月，日本关东军决定首先在诺门罕一带进攻蒙古人民共和国，占领其东部的领土哈拉哈地区，作为下步侵入苏联远东地区的跳板，进而实现蓄谋已久的“北进计划”。5月11日，蒙军第24国境警备队由山西岸涉水到哈拉哈河以东地区放牧。伪兴安警备骑兵第3连驻锡林陶拉盖哨所的一班士兵立即开枪阻截，并上马追赶，将蒙军牧马人和马群赶回西岸。蒙军第7国境哨所50余名骑兵攻占设在争议地区的伪满锡林陶拉盖哨所。
5月13日晚21时，日本关东军第23师团搜索队队长东八百藏中佐奉命率104名骑兵、90名装甲兵到达距诺门罕尚有80多公里的甘珠尔庙，派出侦查兵进行作战准备。关东军司令部将驻齐齐哈尔的飞行侦察第10战队、海拉尔飞行第24战队、关东军汽车队的运输汽车100辆，归23师团指挥、使用。
5月14～15日，东八百藏部队在5架日机的配合下，向哈拉哈河以东的蒙军742高地攻击。蒙军居于劣势(伤亡30余名)，主动撤向河西。5月17日，东八百藏率部队返回海拉尔。苏联政府依据《苏蒙互助协定》而介入，立即将第11坦克旅开往哈拉哈河地区，同时命令驻在乌兰乌德的摩托化步兵第36师一部向哈拉哈河集合，并将第57特别军司令部从乌兰巴托迁到距哈拉哈河125公里的塔木察格布拉格，苏联的飞机也不断在战事地区集合，并在诺门罕地区飞行侦查。蒙军骑兵第6师又渡过哈拉哈河，架起浮桥。
1939年5月28日拂晓，由山县武光大佐负责指挥的第64联队一部约1058人、东八百藏中佐搜索队约200人及伪满兴安骑兵第1、2、8团各一部，分三个方向围攻蒙军，结果被苏蒙军击败，日军搜索队战死115人、失踪81人，几乎全军覆没，东八百藏本人也被击毙;而日军山县部队战死151人、生死不明92人，伤亡率为20%。
第二阶段
6月18日，朱可夫被苏军统帅部任命为第57特别军军长。朱可夫到达塔木察格布拉格后，开始集结兵力，储运军需，在塔木察格布拉格、桑贝斯(今乔巴山)等地开辟野战军用机场，苏战斗机开始在空中与日机周旋。6月19日，苏机轰炸阿尔山、甘珠尔庙和阿木古郎附近的日军集结地，500桶汽油被炸起火。6月20日，第23师团全体出动，小松原带着2万人向诺门罕进发。关东军司令部调第1坦克团和第2飞行集团支援第23师，共有12个步兵营、70辆坦克、180架飞机。
6月21日，日军第2飞行集团团长嵯峨彻二中将把他的司令部从新京(今长春)迁至海拉尔，调来4个飞行团，集中17个战斗轰炸、侦察机中队。6月22日，苏军出动150架飞机空袭甘珠尔庙、阿木古郎将军庙一带的日军集结地和野战机场，日机也倾巢出动。双方从22～24日，在诺门罕地区上空大战3天，近60架飞机被打落在草原上。此后，苏机不断增多，而且出现新型战斗机，日军则逐渐丧失主动权，处于被动挨打的地位。
6月27日上午3时，137架日机在海拉尔机场起飞，编队布满海拉尔上空。6时20分，日军机群到达塔木察格布拉格机场上空，进行狂轰滥炸，机场顿时黑烟覆盖。日军作战部队向关东军司令部报告击落苏机99架，击毁地面飞机25架。6月下旬，关东军司令官命令第23师团尽快发动地面攻势。兵力共计2万多人、84辆坦克、180架飞机和400辆汽车。
7月1日，日军在小林少将的指挥下，6000人的部队向哈拉哈河西岸攻击，中午时攻占河东岸的谢尔陶拉盖高地。朱可夫组织150辆坦克、154辆装甲车、90门大炮和全部飞机及其它部队，分三路反攻。由于巴音查岗高地周围全是开阔地，非常有利于飞机和战车作战，日军全部裸露在苏军坦克和装甲车炮的面前。
7月3日上午7时，第一批苏军轰炸机和歼击机对日军进行了轰炸和扫射。同时，苏蒙军的大炮猛烈轰击日军集群。这两股火力立即阻止日军行进，日军无法开展火力，只顾匆忙地在沙地上挖掘个人掩体。上午9时，苏军第11坦克旅的150辆坦克向龟缩在沙丘掩体的日军开火。
7月11日，关东军司令部命令停止攻势，进行战线整顿，决定向诺门罕前线调兵。从内地调来独立野战重炮联队，从奉天(今沈阳)、北安、齐齐哈尔等地调来反坦克速射炮中队，给23师团补充武器和兵员，增加飞机和车辆。
关东军司令部从战争一开始，就指示石井部队拟定在诺门罕地区的细菌战计划。
7月13日，石井细菌部队碇常重少佐带领22名敢死队员，在哈拉哈河乘2只胶皮筏顺水将22.5公斤伤寒、霍乱、鼠疫、鼻疽等细菌撒入河水中，向苏蒙军进行细菌战。竟有1340名日军染上伤寒病、赤痢病和霍病，731部队军医和敢死队员，被细菌传染而亡命的达40多人。
第三阶段
7月23日，日军在诺门罕前线各部队经过半个月的补充和休整后，集中25000名兵员，82门大炮全线发动总攻击。24日，苏军发动反攻，日军退回原地。25日，关东军司令部下达“停止进攻，构筑阵地”的指示。
8月4日，日军为实施统一指挥，在海拉尔组建第6军(辖第23、第8国境警备队等，司令荻州立兵中将)，兵力约2.5万人。
为早日解决诺门罕地区战事，苏军统帅部决定在塔木察格布拉格的第57特别军扩编成第1集团军。这是临时组织的具有独立作战职能的多种合成的大兵团。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)、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..... 苏军一共498辆坦克、346辆装甲车，542门大炮，515架飞机)。7月15日，朱可夫被任命为集团军司令员。
第四阶段
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。
8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。构筑在蒙古旷野上的土木机构工事很快被苏军的大炮轰成平地，日军就依托单兵用工兵铁锹挖成的简易单兵掩体作战。
8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，日军后退。战斗到8月26日，日军第23师团已经被完全合围了。在苏军重炮群、坦克群、航空炸弹的猛烈轰击下，日军第23师团损失惨重。此役，苏军重创重日军第23师团搜索队，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。
8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。
8月29日，鉴于日军在诺门坎地区的不利情况，日军大本营决定在我国关内战场调集：第5师团(驻青岛)，第14师团(驻河南开封、新乡)，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。
同时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，企图战胜苏军。但在攻势发起前的9月3日被日军大本营阻止。
9月9日，东乡驻苏大使向苏联提出诺门坎停战要求。
9月15日，日本驻苏大使东乡与苏联外交部长莫洛托夫签订停战协定，双方于9月16日凌晨2时停止一切实际军事行动。
战役结果
1939年8月中，欧洲形势急剧变化。苏、日两方亦在八月底后加紧外交谈判。苏军虽然在远东取得战役的胜利，但无意扩大战果。双方于9月16日停火，事件最后以日本退让，承认现存边界结束冲突。
1940年6月9日，苏、日两方正式缔结协议。
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。