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。
