1939年5月11日，约七至九十名蒙古骑兵在哈拉哈河以东、诺门罕附近的地区（今中国内蒙古呼伦贝尔盟西南部，阿尔山以西)放牧。日本及伪满洲国认为满、蒙边境应该在哈拉哈河，该地为伪满洲国国土，而苏、蒙则认为边界在河东约十六公里，诺门罕的东面，该地为蒙古国国土。蒙古骑兵被伪满洲国骑兵驱逐。两天后蒙古骑兵带同援兵到达，再次在该地驻扎，伪满洲国兵未能将其驱赶。
此时日本关东军决定干涉。5月13日或5月14日，隶属关东军小松原师团的捜索队长东八百蔵中佐指挥约300伪满洲国士兵出动，15日成功驱赶蒙古骑兵。苏联红军在斯大林指示红军最高指挥部（Stavka）下准备反攻计划，并决定由朱可夫负责指挥。5月28日至5月29日，苏、蒙军队在装甲兵支持下，以优势兵力击败日军。东八百藏中佐之捜索队军力减损63%：8名军官和97名士兵被杀，1名军官和33名士兵负伤。
之后的整个六月，苏联向诺门罕附近，哈拉哈河两岸增兵，并攻击伪满洲国士兵。
六月底，日军发动反攻。6月30日小松原师团下达进攻命令，从北面分两路进攻哈拉哈河以东的苏军。中部分兵力在7月1日渡过哈拉哈河，在河的西岸意图阻隔苏军的援兵，及切断河东苏军的退路。但河西的日军攻势受阻。朱可夫集合约二百辆坦克及三百辆装甲车，以装甲兵反攻。7月3日，日军撤回河的东岸。而河东的日军亦未能将苏军击退。双方从后方增调炮兵增援。日军在七月底的一次反攻仍然未能将苏军驱离河东。双方在夏天一直维持对峙局面。
八月中，苏军在朱可夫的指挥下，在三十公里长的前线发动主力进攻。苏军投入总兵力约五万七千人，配合炮击及空军支持。北翼最先以机械化步兵进攻，吸引日军增援。中部则以步兵牵制日军主力。南翼集中一个步兵师、一个装甲旅，约一万人及三百辆坦克，配合火炮、空军快速向北迂回，从侧翼包围河东的日军。8月20日，苏军渡河。
日军的作战策略则是以前线部队阻挡敌军进攻，等待苏军的进攻力减弱后，以援军从侧面包围苏军。但是苏联闪电战式的立体机动作战，特别是大量投入的装甲兵，令前线的日军快速溃败。8月24日，苏军南北两翼在诺门罕合围。两个日本关东军师团（第七师及第二十三师）的主力被包围。8月27日，日军试图突围失败。朱可夫在日军拒绝投降后，以火炮及空军集中歼击被围的日军。
