諾門坎位於中蒙邊境地區，當時是偽滿洲國和「蒙古人民共和國」的邊界爭議地區。1936年，蘇聯同「蒙古人民共和國」簽訂了《蘇蒙友好互助條約》。
1939年5月11日，在諾門坎地區哈拉哈河畔，偽滿軍隊跟偽蒙軍隊，在「國境」上發生了衝突。兩天之後，23師團將情況報告給關東軍司令部。司令部依據植田謙吉大將下發的《滿蘇邊境糾紛處理綱要》做出決定，讓23師團長小松原中將出兵堅決反擊。小松原中將派了一個騎兵聯隊增援偽滿軍隊，該聯隊的指揮官是東八百藏中佐。與此同時，蘇聯根據《蘇蒙友好互助條約》也出兵外蒙古。1939年5月22日到24日，日本陸軍航空兵跟蘇聯遠東空軍首次交戰，蘇聯空軍由於受大清洗等因素影響，戰鬥力下降，在首輪交戰中吃了虧。日本飛機還轟炸了蘇聯遠東的一些城市，不久，日本陸軍航空兵掌握了制空權。
後來，朱可夫到了前線，他特別要求斯大林把參加過西班牙內戰的老飛行員派來，不要菜鳥。因為日軍航空兵並不落後，戰鬥力強大。5月28日，日本第23師團的騎兵聯隊成功偷襲了偽蒙軍第6師師部，師長被擊斃。但東八百藏中佐的部隊馬上遭到了附近蘇軍和偽蒙軍余部的夾攻，蘇聯人出動了坦克和裝甲車，東八百藏指揮的騎兵聯隊縱馬揮刀沖向蘇聯坦克。馬刀砍坦克這種事是上演過的，結果可想而知。5月29日，23師團騎兵聯隊全部被殲滅，東八百藏也陣亡了。
同時，山縣武光大佐指揮的第23師團步兵64聯隊攻佔了742高地，並且構築了工事。當東八百藏的騎兵聯隊被全殲之後，山縣武光的64聯隊遭到蘇蒙聯軍的圍攻。戰鬥一直持續到6月7日，傷亡慘重的64聯隊撤出戰鬥，歸隊的不足400人。日軍一個旅團六七千人，下轄兩個聯隊，一個聯隊怎麼著得三四千人，日軍聯隊相當於中國的團。64聯隊歸隊的不到400人，說明損失了大概90%的兵力。第23師團不屬於兩旅團四聯隊編製的甲種師團，屬於三聯隊編製的丙種師團，一下子喪失一個步兵聯隊，可謂傷亡慘重。蘇蒙聯軍方面，偽蒙軍一個騎兵師受重創，師長死了，當然它一個騎兵師就千八百人，本來就是傀儡軍，戰鬥力也不強。
戰鬥勝敗很明顯，相比蘇蒙聯軍，還是日軍損失慘重。可是，日軍23師團得到補充後，竟然給上級發「捷報」，可見日本人非常擅長諱敗為勝，一直到後來美國轟炸日本本土，把日本列島都封鎖了，日本國內民眾才知道原來日軍在前線一直打敗仗。
關東軍司令部收到23師團謊稱的「捷報」，以為戰爭取得重大戰果，馬上報給東京大本營，東京大本營來電，先對勝利表示祝賀，然後暗示關東軍擴大戰果。所以，6月20日，關東軍司令官植田謙吉大將下達了集結命令，23師團全部，第7師團26聯隊加28聯隊的一個加強大隊，調往諾門坎，同時把第2飛行師團調到海拉爾。為了對付蘇聯的裝甲部隊，植田謙吉還把東北日軍唯一的裝甲部隊，號稱心肝寶貝的第一戰車師團（駐地在公主嶺），也調到諾門坎一線。植田謙吉甚至還想從關內調兵增援諾門坎，但由於被侵華戰爭拖住了後腿，未能如願。
到1939年6月，關東軍第2飛行師團部抵達海拉爾，各旅團也先後抵達。1939年6月22日，夏至這一天，日本120架戰機跟蘇聯空軍95架戰機在哈拉哈河上空遭遇，日本30架戰機被擊落。
6月27日，關東軍出動137架飛機，成功轟炸了蘇蒙方面的塔木斯克機場，蘇聯遠東空軍受到重創。6月29日，日軍第一裝甲師團到達了諾門坎的集合地，23師團全部、第7師團也都抵達了集合地，完成了關東軍司令部的部署。這時日軍兵力包括第23師團的64、71、72聯隊，第7師團的26聯隊，再加上第7師團28聯隊的一個加強大隊，被打殘的東八百藏64騎兵聯隊余部，還有兩個坦克聯隊、兩個炮兵聯隊、兩個工兵聯隊，外加一個飛行師團、一個汽車聯隊。重武器方面一共準備了212門火炮，包括反坦克炮128門、山炮24門、野炮60門；飛機182架；坦克82輛、裝甲車26輛、汽車400輛。這就是日本當時盡最大可能拼湊出的機械化力量，當時關東軍參謀辻政信堅信，憑藉這些東西足以打敗遠東蘇軍。但是，日軍根本不了解當時對手蘇聯是什麼情況。
1939年6月1日，蘇聯後來被稱為「勝利之神」的朱可夫趕到了前線，擔任蘇蒙聯軍的指揮官，也就是57特別軍軍長。他上任後，馬上要求莫斯科給前線增加兵力。朱可夫打仗就是這樣，跟蒙哥馬利差不多，必須擁有絕對優勢才會發動進攻。二戰時，蘇軍、美軍、英軍、日軍都是這樣打仗，沒什麼戰略戰術，主要是拼實力，日軍可能還有點兒巧勁兒，像蘇美的軍隊就完全是拼實力，一線平推。反倒是德軍的戰術最精彩，穿插、迂迴、包抄，運用各種戰術。
朱可夫要求莫斯科必須派三個步兵師、一個坦克旅，而且要加強炮兵和航空兵。莫斯科為了穩定東方，好好教訓小日本，完全同意了朱可夫的要求，給他派來了21個榮獲蘇聯英雄稱號的飛行員和當時最先進的飛機。
1939年6月27日，日軍第7飛行旅團100多架飛機空襲遠東蘇軍的3個空軍基地，事後報捷說擊落飛行蘇機99架，擊毀地面蘇機25架。但是，另一種說法是，朱可夫早就預料到這次空襲，放的都是飛機模型。實際上，直到7月，蘇日兩軍的空戰一直在進行，在蘇軍的增援兵力到達之前，日軍是佔據優勢的。
日本諾門坎前線的總指揮官、23師團長小松原中將制訂了兩岸夾擊蘇蒙軍的作案方案。1939年7月1日，日軍第7師團步兵26、28聯隊從哈拉哈河上游渡河進入西岸，攻佔蘇蒙軍炮兵陣地，居高臨下炮轟東岸蘇蒙軍陣地。然後23師團、第1戰車師團和偽滿興安騎兵師正面進攻哈拉哈河東岸的蘇蒙軍，形成夾擊，殲滅蘇蒙軍。26、28聯隊奉命渡過了哈拉哈河，由於兵力上佔有優勢，再加上偽蒙軍準備不足，日軍初步達到了渡河的作戰任務。
但是，駐守的偽蒙騎6師進行了激烈抵抗，為朱可夫贏得了幾個小時的寶貴時間。朱可夫火速趕到戰場，連發三道命令，派重炮部隊、裝甲部隊向日軍反攻，並且派飛機轟炸日軍。已經渡河成功的日軍沒有想到，蘇蒙軍在兵力處於劣勢的時候會發動反攻。日本人在中國戰場的經驗是，一個大隊打國民黨一個師，向來是以少勝多，所以日軍在兵力占絕對優勢的時候，認為打贏沒問題，沒想到蘇軍兵力處於劣勢時還敢反擊。
蘇軍坦克裝甲洪流滾滾而來，使日軍付出了慘重的代價。很快，蘇軍突破了日軍防線，裝甲部隊在朱可夫的指揮下迂迴進軍到了渡口第7師團26聯隊側翼，切斷了日軍補給，直插23師團師團部，23師團參謀長大內大佐陣亡，師團部岌岌可危，師團長小松原中將準備切腹，幸好一小隊速射炮兵趕到，打退了蘇聯坦克，最後這個小隊就剩下六個人、一門炮，小松原趕緊率部撤退到山上。
當蘇軍坦克發動猛攻的時候，擔任正面進攻的日本第23師團和第1坦克師團並沒閑著，第1坦克師團的師團長安岡中將，在經過30分鐘炮火轟擊後，率領87輛中輕型坦克、37輛裝甲車，在23師團步兵聯隊的配合下發動進攻，但很快被蘇軍擋住，始終無法突破蘇軍的防線。這是因為蘇軍的炮火很猛烈，裝甲力量也佔盡優勢，相比之下，日軍重武器非常缺乏，同時步兵、坦克協同作戰能力不足，戰術呆板。小日本的坦克裝甲薄弱，是薄鋼板用鉚釘鉚上的，蘇聯坦克當時已有了焊接裝甲。另外，日軍坦克的37炮、57炮，都是短管炮，射程很近，這種炮更多是用來支援步兵的，很難擊穿蘇聯坦克的裝甲，尤其是正面裝甲。
而蘇聯還有噴火坦克，經常是小日本的炮打到蘇聯坦克上，人家都沒感覺，接著往前開，衝到日本坦克面前，一噴火，把日本坦克燒掉了。日本士兵在跟蘇聯坦克決戰過程中發現，他們唯一能夠對付蘇聯坦克的武器是蘇打水瓶子，就是往蘇打水瓶子裡面灌上汽油，做成簡易燃燒瓶。因此，當一支新的部隊開往前線的時候，撤下來休整的部隊給他們的最好裝備就是這些空蘇打水瓶。士兵居然要拿燃燒瓶對付坦克，仗打到這個份兒上，根本就打不下去了。
7月4日，小松原中將終於跟安岡中將會合了。地面戰爭暫時告一段落，但是空戰仍然十分激烈。日軍畢竟在兵力上佔優勢，累計參戰兵力5萬多人。蘇軍在跟日軍作戰的過程中損失也很慘重，如果不是有幾百輛裝甲車和坦克，蘇聯人也頂不住。所以雙方打成了相持狀態，都在等待救兵。很快蘇聯出動了上千輛卡車，晝夜不停地往前線運送援兵和武器彈藥，而日軍就沒這個實力。蘇軍的第57特別軍改為第1集團軍，朱可夫擔任司令官，下轄第36摩托化師，57、82步兵師，第11裝甲旅和第7、8、9摩托化旅，還配了一個212空降兵旅。
1939年