戰爭已經打了兩個多月，一直都是日滿軍進攻，蘇聯、外蒙古聯軍防守。雖然日滿軍的攻勢如黃河之水一浪高過一浪，卻始終無法完全衝垮蘇軍的防線。兩次渡過哈拉哈河，不但未能在西岸站住腳跟，反而付出了巨大的傷亡代價。對於前線指揮官小松原來說，別提有多鬱悶了。
就在日軍暫停進攻，舔舐傷口之時，對面的朱可夫終於耐不住寂寞了。早在7月中旬日軍不斷增兵的時候，朱可夫已經著手籌劃對日軍實施一次絕地反擊。他清楚，要想徹底打垮狂妄的日本人，不能指望四平八穩、慢慢悠悠的持久戰，蘇軍必須畢其功於一役，發動一場排山倒海的大反攻，才能讓日軍徹底斷了北進的念頭。當今世界危機四伏，歐洲隨時可能爆發大規模的戰爭，朱可夫知道，要是這一仗能夠打得漂亮一點，偉大的斯大林同志就一定不會再「清洗」自己了，那今後就會有更大、更多的仗可打。此時他還不知道，在斯大林心裡，已經在盤算如何與希特勒一起去瓜分波蘭了。
綜合前線的各方面情況，朱可夫向莫斯科建議，8月中下旬實施一次大規模的反攻，還列出了打敗日軍的必要條件，那就是雙方的人員和裝備對比必須不低於：步兵1.5∶1，機槍1.7∶1，炮兵2∶1，飛機2∶1，坦克和裝甲車4∶1。這就是不打無準備之仗的朱可夫的思路——集中優勢兵力一擊破敵。
朱可夫所做的第一件事，還是進行各種戰鬥物資的儲備。早在6月剛到諾門坎前線不久，他便下令兩個鐵路兵工程團和一個築路工兵營修築從蘇聯博爾集亞到外蒙古喬巴山市的戰備鐵路。這些部隊僅用了58天，便將鐵路鋪設到了324公里之外的桑貝子，蘇軍的補給線一下子縮短了一半。鐵路的通車使蘇軍的補給效率大大提高。朱可夫集中的那4000輛重卡和1400輛油罐車，從開戰到現在，二十四小時連軸轉就沒停過。到7月下旬，蘇軍總共給諾門坎前線搶運了6萬噸的各類物資。而同一時期內，日軍的馬拉車和牛拉車拼死拼活運到前線的物資只有可憐的1500噸而已，差距達到了40∶1。
為了麻痹日本人，朱可夫命令停止對日本人的無線電干擾，故意發出一些有關木料緊缺、水泥質量有問題的電報，同時調集大功率的音響設備到前線，將模仿打樁的聲音通過音響向外播放，造成蘇軍正在修築過冬工事和營房的假象。在坦克部隊調動時，蘇軍出動轟炸機進行低空飛行和射擊，用飛機的聲音掩蓋坦克的雜訊。蘇軍還大耍瞞天過海之計，故意將一些坦克的消音管拆除，讓它們在前沿陣地上來來回回地走動，使得日軍的前沿士兵對坦克的聲音習以為常。通過這一系列真真假假的手段，朱可夫成功實施了部隊集結，特別是坦克部隊的前線集結。直至進攻前夕，蘇軍坦克開始向前推進的時候，日軍前哨陣地的士兵才有所警覺，但日軍指揮部的值班軍官卻妄下判斷：「不用理他們，朱可夫總得讓他的部隊有點事干。」
蘇軍還特意在前線印發了一些小冊子，名字就叫「戰士防禦須知」，小冊子中介紹一些冬季如何加強防禦的技巧，還故意在空投的時候誤讓一些小冊子落入日軍手裡。
相對於蘇聯、外蒙古聯軍的厲兵秣馬，對面的日軍卻十分悠閑。7月29日，關東軍司令官植田謙吉大將拖著一條笨拙的假腿，來到了諾門坎前線指揮部所在地將軍廟。這是諾門坎戰役爆發以來視察前線的最高級將領。
作為參加過日俄戰爭的老軍人，植田大將一貫看不起俄國人。他真沒想到，關東軍傾其所有還是沒能打垮老毛子，反而被對手打得鼻青臉腫，所以他認為有必要親自到前邊看看去。在小松原中將的陪同下，植田大將檢閱了各作戰部隊的歡迎隊列，並對前線的攻防發表了一番重要講話。光玩虛的也不行，為了補充前線的損失，植田下令將第七師團第二十七聯隊的兩個大隊和一個炮兵大隊調到海拉爾作為第二十三師團的預備隊，來自奉天的第一獨立守備隊也劃歸第二十三師團指揮。這說明儘管打了敗仗，但關東軍總部和植田大將本人對小松原還是非常信任的。
植田大將到前線還有一件大事要辦，那就是給英勇負傷的天皇陛下的女婿盛厚上尉授勛。很快，一架專機從海拉爾的豪華病房裡接來了盛厚上尉，並直接送到了將軍廟。植田司令官親自高聲宣讀了關東軍司令部的嘉獎令，並將一枚一級武功勳章親手綴在了殿下的胸前。
本來這樣的儀式放在前線陣地上效果更佳，但是那裡不時有蘇軍飛機的轟炸和炮兵的襲擾。殿下已經受傷了，不能再有任何閃失，只好在將軍廟這地方湊合一下吧。接受勳章之後，駙馬爺很快又乘坐同一架飛機永遠離開了讓他痛苦難忘的諾門坎前線。
前線死了那麼多人都稀鬆平常，可是一個小小的陸軍上尉居然因為受點輕傷就能得到如此的榮譽，而且有專機來回接送，植田司令官還親自頒獎，諾門坎前線的將佐們不禁面面相覷，都怪自己沒能娶上好老婆。
地面的衝突暫時停歇，但空中小規模的零星格鬥一直在持續。朱可夫命令空軍在大反攻之前要不斷出動對日軍進行襲擊，消耗日軍已經日漸衰弱的空中力量，提前掃清來自空中的障礙。7月29日，20架蘇機襲擊了日軍的前線機場，日軍第二十四戰隊中隊長可兒才次少佐剛剛執行任務回來，飛機著陸後還沒走出機場，就被當場炸死。王牌飛行員這樣窩囊地死在地面上，估計可兒少佐一定是死不瞑目了。在當天傍晚的又一輪空襲中，第一戰隊中隊長原田文雄少佐又機毀人亡。8月2日，蘇軍50架戰機再次襲擊將軍廟機場，日本最優秀的飛行軍官、曾任關東軍航空主任的第十五戰隊隊長安倍克己大佐戰死。兩天之後，剛剛得到補充的日本第二十四戰隊再次在沒有預警的情況下倉皇起飛應戰，隊長松村黃次郎中佐的指揮機遭受重創強行著陸，松村中佐身受重傷。日本空軍的人員和戰機損失已經到了難以為繼的地步。
植田信任小松原並不代表東京也相信他。眼看前線沒有一點起色，大本營決定擴大建制，在諾門坎前線成立第六軍，司令部就設在離諾門坎最近的海拉爾。隨著新調集部隊的陸續到來，前線的部隊總數再次超過了8萬人。大本營不相信小松原有指揮這麼多人馬的能力，於是調原駐關內宜昌的第十三師團師團長荻洲立兵中將任第六軍司令官。此舉讓小松原感到跟吃蒼蠅一樣難受，卻也無話可說，誰讓你之前連打敗仗呢？
從植田司令官、磯谷參謀長等高官到服部、辻政信等作戰參謀，對大本營此舉無不是既憤慨又傷心：這分明是不信任關東軍，有意給我們難堪啊！事實上來說，這個表面上看起來擴大了的編製也毫無意義，一下子破壞了之前好不容易才建立起來的指揮系統和協同關係，等於在第二十三師團和關東軍之間又空降來一個軍長，弄這一出，儼然脫褲子放屁，多此一舉。這軍長還是新來的，對前線的情況並不了解。作為剛提拔的軍長，荻洲立兵中將也不能不裝樣子到前線看看，還要順便做出一些重要指示。讓人想不到的是，荻洲的指示恰恰和之前植田大將的指示相反，小松原也不知道聽誰的才對。兩人見了幾次面，互相之間都不冷不熱，似乎有點互不買賬的樣子。
8月中旬，七三一部隊的山下健次大尉帶領病原菌檢查班來到海拉爾，通過檢驗病員糞便的方法最終確認，前線大量士兵染髮的怪病的根源，就在於自己之前投放的傳染病菌。
荻洲中將來到諾門坎前線之後也沒有覺察到蘇軍反攻的準備。前線觀察報告說蘇軍正在大規模地修建過冬營房，有限的幾次空中偵察也只看見蘇軍長長的運輸車隊在廣闊的原野上賓士。荻洲中將立即相信了前線小松原一夥做出的結論：蘇軍正在做過冬的準備。對蘇軍車隊忙個不停，荻洲給出了一個他認為完全科學合理的解釋：諾門坎的冬天極為嚴寒，最低氣溫常常低於零下40攝氏度，要想在諾門坎過冬當然需要大量的禦寒物資，蘇軍運送物資那是一點都不奇怪的呀。於是，荻洲放心地回海拉爾去了，他甚至沒有取消軍官周末輪流度假的命令。你們要過冬，我們也輪班瀟洒一下吧。他不知道蘇軍的那些運輸車隊運送的不是修建營房的物料，而是蘇軍準備反擊的作戰物資。
關東軍司令部也相信了荻洲中將的判斷，在8月12日下發了《諾門坎事件處理綱要》，其主旨就是要求做好持久戰的準備，以便在嚴冬季節確保既得戰果。此時離漫長冬季來臨的10月已經不遠了，有事咱明年春天再說吧。
蘇軍的反攻日方並不是沒有人預料到。其間關東軍曾經接到了哈爾濱特務機關長秦彥三郎少將從蘇聯遠東地區內線得到的絕密情報。情報的內容是，莫斯科要求朱可夫在8月5日至8月10日對日軍開始總攻擊，朱可夫因為作戰物資尚未完全到位，要求推遲攻擊時間。與此情報相對應的是，前不久日本駐蘇聯大使館副武官土居明夫大佐經西伯利亞鐵路回國途中，曾發現蘇軍的兩個師和80門大炮正在運往前線。駐蘇聯使館也發來電報，認為蘇軍一定會在近期發動攻勢，可惜關東軍和第六軍