讓人納悶的是，前線的戰鬥竟然是蘇軍首先停止的。就在各路日軍潰不成軍的時候，佔盡優勢的蘇軍並沒有趕盡殺絕，反而戲劇性地停止了追擊。1939年9月1日，蘇軍到達蘇聯和外蒙古所主張的邊界線後便不再往前推進，其做法與「張鼓峰事件」如出一轍。表面上似乎很大度，我只得到自己想要的那一塊就不超出範圍，深層次卻是另有原因。
蘇聯人的重點在西線，相對遠東而言，他們更關注歐洲的局勢，目前斯大林還不想在遠東進行一場大規模的戰爭。這裡遠離他們的歐洲中心，給軍隊的補給帶來諸多不便。如果戰事進一步擴大，就意味著補給能力還要大大加強，這勢必影響他們在西線的戰力。斯大林只想把日本人徹底打疼，讓他們今後不要再隨便搗亂，他還沒有精力，也沒有能力一下子把他們打死。
眼前斯大林有更重要的事情去做，那就是和希特勒一起去瓜分波蘭，這大概才是他們主動停戰的根本原因。如果將北極熊換位當作「光頭強」的話，相較於日本這個「熊二」，「熊大」德國的威脅更大。但現在「熊大」還不是敵人，雙方還要合起來一起幹壞事。
在戰場上吃了大虧的日本人卻不想就此停戰。雖然日本的生產能力和運輸能力都遠遠弱於蘇聯，但它的補給基地比蘇聯人近得多。更重要的是，從精神上來說，日本人根本無法接受失敗的結果。從明治維新以來，日本的對外戰爭都是一路高歌猛進，幾乎每戰都以勝利告終。這次一下子栽了這麼大一個跟頭，想讓日本人安安生生地吃下這個虧，恐怕是不太容易的。這口氣要是不撒出來，沒準自己能把自己給憋死。
東京的參謀本部在得知第六軍慘敗，特別得知是幾個聯隊整建制被全殲的消息後惱羞成怒。大日本帝國皇軍竟然敗給原來的手下敗將，是可忍孰不可忍！況且還有潛在盟友德國和義大利的觀察團在那裡看著，這老臉往哪裡放？參謀本部立即決定從中國戰場抽調駐青島的第五師團，駐河南新鄉和開封的第十四師團，野戰重炮兵第九、第十聯隊等部隊回援關外。同時在本土集結12個野戰高射炮聯隊和22個汽車中隊準備隨時登船開赴中國滿洲。為了加強前線的無線電通信聯絡，還額外調集了三個電信中隊準備一同前往。參謀本部這次不是被動地接受關東軍的「戰果」，而是要主動地來收拾關東軍剩下的爛攤子了。
東京準備大打出手的好消息傳到滿洲，關東軍一片歡騰，上上下下摩拳擦掌，躍躍欲試。植田司令官立即下令駐牡丹江的第二師團、駐佳木斯的第四師團立即做好開赴諾門坎前線的準備。關東軍參謀部緊急制定了一個以「夜間進攻，白天固守，步步為營」為準則的作戰方案，意圖依靠自己的優勢步兵和高超的夜戰能力消滅哈拉哈河兩岸的蘇聯、外蒙古聯軍，重新劃定「蒙滿」邊界，一雪前恥。
關東軍指示各部隊在執行進攻任務時，每次只推進500米便就地挖散兵坑固守。白天如果遇到蘇軍坦克和裝甲部隊的進攻，就採用肉彈戰術擊破之。要說這關東軍也真是挨打不長記性，真忘了這種戰術之前早已報廢了嗎？於是乎，在新的戰鬥開始之前，挖洞訓練便成了日軍前線參戰官兵對蘇軍作戰的主要準備工作。呼倫貝爾大草原被日本兵挖得到處都是洞坑，日本兵彷彿瞬間變成了一群老鼠。
蘇軍停下來，並沒有說不打了。為了應對隨時可能擴大的戰事，蘇軍兵力也在不斷增強。第五十七特別軍升格為第一集團軍後，蘇聯最高統帥部給朱可夫增派了兩個摩托化步兵師、一個機槍旅和一個坦克旅，朱可夫手上的蘇軍兵力增加了一倍以上。朱可夫並沒有把這些人都拉到一線，而是作為戰略預備隊放在後方。一方面因為都部署在一線勢必加大補給的壓力，另一方面現在一線的兵力對付日軍已經綽綽有餘。以蘇軍的機動能力，一旦前線需要的話，這些部隊很快就能到達前線。
1939年9月3日，正當關東軍為未來的戰鬥積極備戰的時候，東京參謀本部忽然傳來了一條驚天的壞消息，立即結束所有作戰行動，從關內和本土出發的各部隊立即停止向滿洲進軍。看到這樣的電報，包括植田司令官在內的所有人都目瞪口呆。
原因很快就清楚了。就在朱可夫發動反攻，日軍節節敗退的8月23日，蘇聯外交人民委員莫洛托夫與德國外交部部長里賓特洛甫在莫斯科正式簽訂了被稱為「史上最荒唐婚姻」的《蘇德互不侵犯條約》，兩個世界上最言而無信的國家心懷鬼胎地握了手。
這一條約的簽訂震驚世界，也讓日本無比尷尬。因為《蘇德互不侵犯條約》與先前德國與日本簽訂的《反共產國際協定》從根本上是矛盾的。自己的盟友突然與自己的敵人成了互不侵犯的「友好鄰邦」，這不僅意味著日本原先為牽制蘇聯與德國締結的協定已經完全失去了意義，還意味著日本被它一直信任的德國盟友出賣了。女朋友結婚了，新郎不是自己，反而是自己的仇敵。這一晴天霹靂讓日本人一下子蒙了，也為之後的日德同盟罩上了一層難以消除的陰影。
如此重大的打擊使得參謀本部內部的對蘇強硬派全部閉上了嘴。無奈之下，一向不怎麼管事的參謀總長閑宮院載仁親王只好放下平時最喜歡玩的鳥籠子，親自走上前台來收拾殘局。載仁親王找到了一個對蘇聯妥協的冠冕堂皇的理由：「在對華作戰期間，我們必須維持北方邊境的平靜。」
前線的關東軍還像煮熟的鴨子一樣肉軟嘴硬。1939年8月30日，參謀次長中島鐵藏中將親赴長春對關東軍首腦進行說服工作。植田還不服氣，要求最後再來一次「更大規模、真正的作戰」，可以保證作戰過程中不渡河，戰場只限定於河東地區。他把之前「夜間進攻，白天固守，步步為營」的思路向中島次長做了彙報，不但拒絕執行國內的停戰命令，還請求參謀本部派出更多的增援部隊。
中島次長本來就是一個「老好好」，聽了植田的話也覺得很有道理，只好回去將植田等人「抗命不遵，拒不停戰」的表現以及提出的建議給載仁親王描述了一番。載仁聽後大為震驚，要求中島次長再次前往長春，嚴令關東軍必須在9月4日之前停戰。
植田司令官還是不同意，要求起碼允許關東軍再進行一次小規模戰鬥，最少也要把前線陣亡將士的屍體搶回來吧？植田還強調，如果連這一要求也得不到允許，他將遞交辭呈。
這一舉動徹底激怒了載仁親王。給你臉不要臉，打了敗仗你還有理了？9月3日，參謀本部向關東軍司令部再次發出急電，內容一反往常的商量口氣：「立即主動結束諾門坎戰事，停止一切戰鬥行動。」
「諾門坎事件」移交外交談判解決。
為了督促停戰命令的執行，1939年9月6日至8日，日本參謀本部連下兩道命令，關東軍司令官植田謙吉大將、參謀長磯谷廉介中將被免職編入預備役。關東軍的作戰參謀也大部分撤換，副參謀長矢野音三郎少將、作戰課長寺田雅雄大佐、作戰主任服部卓四郎中佐、作戰參謀辻政信少佐統統被免職。
植田大將的元帥夢徹底破滅了，只好回家去養老，為了帝國的事業，植田連婚都沒結，家裡連個老婆也沒有。不過回家賦閑的植田還是頑強地活到了1962年，足足活了87歲。磯谷參謀長情況就好得多，他和東條英機是鐵哥們兒。東條掌權之後，幾年後磯谷又重出江湖，出任被佔領後的香港的總督，極盡搜刮盤剝之能事，可謂劣跡斑斑，後文詳敘。
一夜之間，關東軍內的強硬派被一掃而光。這麼大一支軍事力量也不能沒領導，新任掌門人很快就到位了，他就是後來赫赫有名的原第一軍司令官、「陸大」第二十三期首席梅津美治郎中將。
陸軍省承認，「諾門坎之戰是日本陸軍自成軍以來的首次慘敗」。後來有日本學者甚至稱，「諾門坎戰役是日本陸軍史上最大的一次敗仗」。此戰對關東軍士氣的打擊遠遠超過被消滅的人數。日後在蘇軍進軍東北的戰役中，關東軍許多部隊一觸即潰，這次慘敗給其官兵留下的心理「陰影」仍然清晰可見。
1939年9月15日，日本駐蘇聯大使東鄉茂德與蘇聯外長莫洛托夫在莫斯科會晤，日本、蘇聯、外蒙古、偽滿洲國四方代表在莫斯科簽訂了停戰及交換俘虜的協定，這是日本繼「張鼓峰事件」後簽訂的又一個邊界協定，持續135天的諾門坎戰役終於拉上了帷幕。
諾門坎戰役雖然間接支援了中國的抗戰，但蘇軍戰勝日本之後完全控制了外蒙古，結果促使外蒙古從中國分離出去的可能性加大。戰後，偽滿洲國的土地重回中國懷抱，日蘇協定使得外蒙古邊界由哈拉哈河向黑龍江境內推進了約40公里，面積2000多平方公里，這部分國土也因該次戰役而流失。
停戰協定簽訂後的第三天，也就是1939年9月17日，蘇聯入侵波蘭，從背後給了這個已經瀕臨滅亡的可憐國家狠狠的一刀，開始了與德國事先約定的分贓遊戲。在諾門坎戰役最後階段，斯大林沒有過於咄咄逼人趕盡殺絕，其原因也正在於此。