凌晨五点，苏联和蒙古联军的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，开始对日军发起了大规模的攻击。
在苏军大量的炮火覆盖下，日军在蒙古旷野上修筑的土木结构工事很快便被苏军的大炮轰成了平地，不但造成了大量日军官兵的伤亡，还迫使剩余的日军官兵们只能使用工兵铁锹挖掘出简易的单兵掩体来进行作战。
面对苏军的凶猛攻击，日军的防线被打得不断的后撤，为了挽回战场上的劣势，日军也是组织起部队向苏军发起了反冲锋，不过，日军仅仅只能组织起3000名没有炮火掩护的步兵进行这次的反冲锋。
日军这种近乎于自杀式的反冲锋，在苏军阵地前的铁丝网和野战工事前被拦了下来，苏军的炮火随后便精准的打出了两轮炮击，把被压制在阵地前的日军进攻部队炸的血肉模糊，紧跟着苏军的坦克部队开始冲向日军的反击部队，这一下直接就把日军的反击部队给彻底打崩溃了。
日军的反冲锋部队基本被消灭在了苏军的野战工事阵地前面，只有零散的一些官兵逃了回去，苏军的坦克装甲部队在消灭了日军的反冲锋部队后，也是马不停蹄的追着日军猛打猛冲，并给日军来了一个大迂回包抄，将对面的日军第二十三师团完全的包围住了。
在苏军重炮群、坦克群、航空炸弹的猛烈轰击下，被包围的日军第二十三师团损失惨重。
在苏军的攻势下，日军第二十三师团第六十四联队、炮兵第十三联队、第二十六联队第一大队被全歼，击毙第六十四联队联队长山县武光大佐、炮兵第十三联队联队长伊势高秀大佐和第七十一联队联队长森田彻大佐，日军仅有的二十二门加农炮也全部被苏军摧毁殆尽。
战斗持续到八月三十一日，在被上万吨炮弹轰击了十一天后，弹尽粮绝的日军第二十三师团决定突围，第二十三师团组织起了一支2000多名官兵的挺身队，也夜晚的时候身绑手榴弹向包围圈外的苏军阵地发起了近战突围，硬生生的用人肉炸弹打开了一条突破口，让日军残存的各部队得以在苏军的包围下成功突围。
鉴于日军第二十三师团在诺门坎地区的不利情况，为了打赢这场和苏联的战争，日军大本营也是决定从华夏关内战场抽调部队增援诺门坎地区的战斗。
日军大本营的行动也是非常的迅速，立刻便命令驻扎在青岛的第五师团、驻扎在开封的第十四师团，野战重炮兵第九、第十联队，速射炮兵九个中队，十六个野战高炮队，一个飞行战队，二十二个汽车中队增援诺门坎地区，参加对苏联的这场战争。
除了大本营抽调在华夏关内作战的部队增援诺门坎地区外，日本关东军司令部也抽调了第二师团人、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，企图用决战的方式向苏军发动反攻，但日本关东军司令部的这一疯狂行为，被日军大本营在即将发起攻击的时候严令阻止了。
在日军大规模增援到诺门坎地区的同时，日本驻苏联大使也是向苏联提出诺门坎停战要求，由于在八月中旬的时候，欧洲的整体形势发生了剧烈变化。
苏军虽然在远东取得战役的胜利，但是苏联一直是把重心放在欧洲方面的，加上苏联和日本两方都不愿意在欧洲剧变的前夕消耗太多自己的国力，也都不太想在这个关键的时刻扩大战事。
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