此時日本關東軍在滿洲國之領土呼籲下決定干涉。5月13日或5月14日，隸屬關東軍小松原師團的騎兵聯隊長東八百藏中佐指揮本部200餘日本騎兵、滿洲國興安北警備軍騎兵第8團約400滿洲國士兵，並出動5架轟炸機投擲60多枚炸彈。蒙古方面傷亡了30餘人之後，於15日主動撤向了河西。

此時蘇聯政府依據《蘇蒙友好合作互助條約》介入，決定干預蒙古戰事。蘇聯將第11坦克旅開往哈拉哈河地區，同時命令駐在烏蘭烏德的摩托化步兵第36師一部向哈拉哈河集合，並將第57特別軍司令部從烏蘭巴托遷到距哈拉哈河125公里的塔木察格布拉格，蘇聯的飛機也不斷在發生戰事的地區集合，並在諾門罕地區進行飛行偵察。5月22日至24日，蘇聯空軍與日本關東軍第2飛行集團在諾門罕上空展開了大規模的空戰。日軍奪去了制空權。

5月24日蒙古騎兵第6師渡過哈拉哈河，擊退滿州國騎兵，並在哈拉哈河以東10千米處據733高地、731高地設置防禦陣地。蘇軍坦克第11旅的摩托化步兵營以第2、第3兩個連部署在蒙軍北、南外側，第1連部署在浮橋以西擔任預備隊。蘇軍摩步第36師第149團位於哈拉哈河前線以西120千米外的塔木察格布拉格作為總預備隊。蘇軍總兵力為1100人，蒙軍為1257人。

師團長小松原中將於5月25日下午到達甘珠爾廟，召開軍事會議聽取偵察報告。小松原認為消滅越境的蒙軍的時機已成熟，不久前才接到《滿蘇國境糾紛處理綱要》，小松原師團長有權在邊境線不明的地區，自行判斷和劃定國境線，為了達到這個目的，有權自行決定動用武力。因此，小松原師團長命令步兵第64聯隊長山縣武光大佐率隊發起攻擊。

5月28日凌晨4時至5時40分，蘇軍坦克第11旅摩步營將迂迴偷襲的東八百藏中佐搜索隊阻擊在距離浮橋1.7千米處。28日中午13時，東八百藏中佐向支隊發出求援，但僅在下午17時獲得了淺田小隊的增援。28日21時入夜之後，東搜索隊準備發揚日軍傳統的「夜戰」優勢轉入反攻，但蘇軍摩步第149團從塔木察格布拉格趕到戰場。蘇軍隨即在河西岸的3部探照燈照射下對東搜索隊發起總攻。激戰持續數小時，東八百藏搜索隊擊退了蘇軍進攻,死傷91人。

29日凌晨3時30分，蘇軍恢復進攻，從三面迫近東搜索隊陣地。29日下午14時，東中佐下令傷兵突圍。15時東搜索隊只剩下25人。18時，東八百藏中佐實施了最後的自殺突擊。

此戰東中佐之搜索隊軍力減損63%：8名軍官和97名士兵被殺，1名軍官和33名士兵負傷。列米佐伕中校所率蘇軍之傷亡具體人數不明。

29日21時，小松原師團長派遣第71聯隊第2大隊馬場進少佐帶領的第5中隊、聯隊炮中隊、反坦克炮中隊，總共381人，分乘40輛汽車增援。於30日下午到達戰場。蘇軍以為日軍大部隊前來增援，因此主動撤回哈拉哈河西岸。

戰後，小松原師團長向上級報告此戰取得了輝煌大勝，擊斃外蒙古騎兵第6師師長沙日布、全殲蒙騎第6師騎兵第15團；命令井置中佐重新組建師團的騎兵聯隊。東京的參謀本部發來的「參字547號電」，對23師團的勝利表示祝賀。

蘇聯紅軍在史達林指示紅軍最高指揮部下準備反攻計劃，並決定由朱可夫負責指揮。1939年6月12日，朱可夫被蘇軍統帥部任命為第57特別軍軍長。他到達塔木察格布拉格後，開始集結兵力，儲運軍需，在塔木察格布拉格、桑貝斯等地開闢野戰軍用機場，蘇軍戰鬥機開始在空中與日機周旋。

六月底，日滿聯軍發動反攻。6月30日小松原師團下達進攻命令，從北面分兩路進攻哈拉哈河以東的蘇軍。當中部分兵力更在7月1日渡過哈拉哈河，在河的西岸意圖阻隔蘇軍的援兵，及切斷河東蘇軍的退路。朱可夫集合約二百輛坦克及三百輛裝甲車，以裝甲兵反攻。7月3日，日軍撤回河的東岸。而河東的日軍亦未能將蘇軍擊退。雙方從後方增調炮兵增援。日軍在七月底的一次反攻仍然未能將蘇軍驅離河東。雙方在夏天一直維持爭持局面。

八月中，蘇軍在朱可夫的指揮下，在三十公里長的前線發動主力進攻。蘇軍投入總兵力約五萬七千人，配合炮擊及空軍支援。北翼最先以機械化步兵進攻，吸引日軍增援。中部則以步兵牽制日軍主力。南翼集中一個步兵師、一個裝甲旅，約一萬人及三百部坦克，配合火炮、空軍快速向北迂迴，從側翼包圍河東的日軍。8月20日，蘇軍渡河。

日軍的作戰策略則是以前綫部隊阻擋敵軍進攻，等待蘇軍的進攻力減弱後，以援軍從側面包圍蘇軍。但是蘇聯閃電戰式的立體機動作戰，特別是大量投入的裝甲兵，突破日軍防線。8月24日，蘇軍南北兩翼在諾門罕合圍。兩個日本關東軍師團的主力被包圍。8月27日，日軍最後突圍。

此次戰役最後導致關東軍司令官植田謙吉辭職，前線總指揮小松原一年後病死，參謀長岡本雙腿被斬斷。

歷史影響：

1939年8月中，歐洲形勢急劇變化。蘇、日兩方亦在八月底後加緊外交談判。蘇軍雖然在遠東取得戰役的戰略勝利，但無意擴大戰果。雙方於9月16日在莫斯科簽署了有關諾門罕戰役的停戰協議，事件最後以日本退讓，承認現存邊界結束衝突。1940年6月9日，蘇、日兩方正式締結協議。最後導致1941年4月13日所簽訂的《蘇日中立條約》。

諾門罕戰役是自日俄戰爭以來兩國發生的最大規模的戰爭。相對於二次大戰其他戰役，雖是一場不為經傳的戰事，但是它對二次大戰的局勢發展卻有非常深遠的影響。

諾門罕戰役的失利，一改日俄戰爭以來日本對俄國形成的固有觀念，使得日本決策者不得不重新評估蘇聯軍事實力以及擱置「北進」計劃，轉而掉頭實行「南進」計劃，最終引發了太平洋戰爭。

對獲勝的蘇聯方面來說，諾門罕戰役的勝利解除了來自遠東方面的威脅，使得蘇聯在蘇德戰爭爆發之後，得以將遠東部隊調往西線，使得蘇聯在這個戰爭中避免了兩線作戰的不利局面。

諾門罕戰役的勝利，也使蘇聯進一步鞏固了對外蒙古的控制，並為以後的「雅爾達協議」確定外蒙古保持現狀和外蒙古的最終獨立奠定了基礎。