1日日军出动第23师团和130架飞机侵入诺门坎，3日被击退。23日再实施攻击，次日复败。8月20日朱可夫将军指挥苏蒙联军，在坦克、重炮、飞机掩护下开始总攻击。日军遭装备优良的苏军的重创，死伤1万7千余名，第23师团几乎全军覆没。
这场对日军压倒性的战争的胜利让年轻的朱可夫一战成名，极大地震慑了日军的同时，还巩固了苏联对外蒙的控制。
而对日军来说，战败直接导致关东军司令的辞职。战略层面上，这场战争让日国政府开始重新评估苏军的实力，从此向西北进取苏联西伯利亚的“北进”就此打住，并于1940年6月9日，同苏联正式缔结停战协议 ，并于次年签订《日苏中立条约》。