諾門罕戰役，這場戰爭名不見經傳，卻被日方稱為「日本陸軍史上最大的一次敗仗」，讓日本對蘇軍產生了心理障礙，甚至在蘇德戰爭爆發，蘇聯減弱東部防務的情況下，日本都不願與德國夾擊蘇聯，反而偷襲珍珠港迫使美國對日宣戰，使同盟國及軸心國間的力量對比發生根本變化。
正是由於諾門罕戰役，日軍放棄侵犯蘇聯，轉而向美國開戰。圖為1941年12月7日，日本偷襲珍珠港，亞利桑那號爆炸沉沒
1937年，蘇聯的肅反之風颳進軍隊，在一年時間內，史達林清洗了35,000名軍人，其中包括5位元帥中的3位，全部11名副國防人民委員，最高軍事委員會80名委員中的75名，15名集團軍級幹部中的13名，85名軍長級幹部中的57名，196名師長級幹部中的110名，406名旅長級幹部中的220名，上校以下的軍官共3萬多名。大清洗運動也波及緊跟蘇聯的蒙古，蒙古部長會議主席根登、軍政部長兼人民軍總司令德米德等一大批黨政要員受到衝擊，多名騎兵師長和高級軍官相繼被處決。這種瘋狂的清洗必然對蘇聯軍事勢力造成極大損害，因為懼怕傷及自身，1938年6月，蘇聯人民內部委員會，也就是對軍隊進行清洗的組織成員之一留希科夫大將叛逃日本，將這個重要消息告知日本。
這使得日本人喜出望外，在日俄戰爭後，日本曾經在1936年開始制訂了兩個侵略蘇聯的計劃。現在，蘇聯內部發生這樣劇烈的內部消耗，日本人總結出蘇蒙軍隊中，有能力和經驗的指揮官基本被清洗掉了，這樣的軍隊不足為慮，日本等待多時的機會終於來了。但是日本只有500輛坦克和裝甲車，蘇聯卻足足有1萬輛，留希科夫指出，要想進攻蘇聯需要4千輛坦克和裝甲車。但是在日本國內資源匱乏的情況下，日本優先海軍建設，想要在同一時間內達到四千輛坦克和裝甲車，實在是遙不可及的事情。日本人只能先行試探，於是1938年7月30日，日、蘇兩軍在偽滿洲國、蘇聯、朝鮮交界的張鼓峰便因為邊界糾紛發生武裝衝突，結果一個月後的8月10日雙方議和，簽訂停戰協定。
然而此戰是在蘇聯集中了優勢兵力的情況下獲得的，蘇聯在坦克飛機的支援下，動用了一個集團軍的兵力都沒有完全攻占日軍不足2個旅團編制兵力防守的張鼓峰陣地，使日本關東軍相信蘇聯軍事實力受損的事實，為日後的諾門罕之戰埋下伏筆。
諾門罕，這是位於中國內蒙古呼倫貝爾盟與外蒙之間的一片半草原半沙漠的荒原。戰爭起因於侵華日軍和蒙軍為諾門罕以西，直至哈拉哈河這塊呈三角形地區的歸屬問題。1939年5月11日，10餘名蒙古騎兵越過哈拉哈河到諾門罕西南約15公里處巡邏，他們沒有想到，這成為戰爭發生的導火線。在被偽滿國境警備隊擊退後，翌日，60名蒙古騎兵再度進入這一地區，雙方再度交戰。
關東軍駐海拉爾23師團的師團長小松原道太郎決心利用這次衝突將戰爭升級，以此為突破口侵占蒙古。對於日蘇兩國來說，外蒙古都具有戰略意義。蘇聯以蒙古為聯鞏固遠東地區安全、保衛西伯利亞漫長邊境線的重要屏障，日本則想自亞洲大陸或東南亞取得礦藏與資源，藉以維持日本的經濟生存和發展。日本參謀本部幾經衡量，認為蘇聯準備不足，支持關東軍的計劃。
得到許可後，小松原在13日派出師團搜索隊和1個步兵大隊從海拉爾出發開往前線，向哈拉哈河以東的蒙軍高地攻擊。蒙軍居於劣勢，主動撤向河西。隨即蘇聯政府依據《蘇蒙互助協定》，也開始向出事地區集結兵力，儲運軍需。
5月21日，日軍第23師團出動1個聯隊，在1個輕轟炸機中隊配合下發動攻擊。蘇軍隨即加入作戰。日軍猛攻數日不下，傷亡慘重。5月28日，日軍發起突然襲擊，大規模的戰鬥開始。小松原派出的部隊是東支隊等部隊，共計1.6萬人，在空軍掩護下發起進攻。但蘇軍的戰車隊和炮兵隊協同作戰，攻擊力極強。向蘇軍側面進攻的東八百藏騎兵聯隊後退無路，在29日實施了最後的自殺突擊。小松原道太郎、大內孜收到山縣武光出擊不利的報告後，5月30日即派71聯隊的第2大隊長馬場進少佐，率步兵、重機槍、速射炮各1個中隊，山炮兩個中隊(即71、72聯隊的山炮中隊)至諾門罕地區增援。但因遭到蘇蒙軍的猛烈炮擊和坦克部隊的來回衝殺倉促撤回。
然而在戰後，小松原師團長向上級報告此戰取得了輝煌大勝，擊斃外蒙古騎兵第6師師長沙日布、全殲蒙騎第6師騎兵第15團;命令井置中佐重新組建師團的騎兵聯隊。東京的參謀本部發來的「參字547號電」，對23師團的勝利表示祝賀。
之後的整個六月，蘇聯和日本都在向諾門罕附近增兵。蘇聯紅軍在史達林指示紅軍最高指揮部下準備反攻計劃，並決定由朱可夫負責指揮。1939年6月12日，朱可夫被蘇軍統帥部任命為第57特別軍軍長。他到達塔木察格布拉格後，開始集結兵力，儲運軍需，在塔木察格布拉格、桑貝斯(今喬巴山)等地開闢野戰軍用機場，蘇軍戰鬥機開始在空中與日機周旋。6月22日，為了阻止日軍集結，蘇軍出動150架飛機空襲甘珠爾廟、阿木古郎將軍廟一帶的日軍集結地和野戰機場，日機也傾巢出動。雙方從22到24日，在諾門罕地區上空大戰3天,雙方近60架飛機被擊落。此後，蘇聯依靠雄厚的軍事實力，戰機不斷增多，而且出現新型戰鬥機，日軍則逐漸喪失主動權，處於被動挨打的地位。
6月下旬，關東軍司令官命令第23師團儘快發動地面攻勢，動用兵力共計3.6萬人、182輛坦克、112門各種火炮、180架飛機和400輛汽車。7月1日，集結到諾門罕的第23師團和安岡支隊，在飛機的掩護下渡過了哈拉哈河，向西岸蘇蒙軍陣地深入，中午時攻占河東岸的謝爾陶拉蓋高地。朱可夫組織150輛坦克、154輛裝甲車、90門大炮和全部飛機及其他部隊，分三路反攻。蘇軍的坦克部隊及火力密度遠遠超出日軍的估算，7月3日，在蘇軍主陣地前的不僅有防坦克壕，4.5公分口徑的反坦克炮及隱蔽的坦克，阻止了第3戰車聯隊的前進，而且高低多層的鐵絲網和各處相互交叉的濃密火力點，再加上蘇蒙空軍的直接攻擊、轟炸和對岸台地上大口徑炮群不住的齊射，使進攻的日軍前進不能，後退不得，被釘在停止的原地，變成各種火力攻擊的目標。在擊潰日軍步兵主力後，蘇蒙軍繼續以坦克部隊尋殲日軍坦克部隊。亞洲戰爭史上第一次坦克大戰爆發。戰鬥中，日軍第1坦克師團參戰的坦克和裝甲車輛，幾乎全被擊毀。
此役日本關東軍損兵3000人，折將40人(少將為首的40名軍官陣亡)。7月11日，關東軍司令部被迫停止攻勢，進行戰線整頓，並決定向諾門罕前線調兵。他們從旅順要塞調野戰重炮第3旅團，從本土調來獨立野戰重炮聯隊，從奉天(今瀋陽)、北安、齊齊哈爾等地調來反坦克速射炮中隊，為23師補充武器和兵員。
到了7月23日，關東軍在諾門罕前線已經集中25000名兵員，82門大炮。日軍對這些大炮給予了厚望，在摸清蘇蒙軍炮兵陣地的方位、距離後，日軍陸軍史上最大的一次炮戰開始了。日軍大炮齊射，密集的炮彈飛向哈拉哈河西岸，使蘇蒙軍的炮兵陣地上塵土飛揚，濃煙滾滾。然而日軍大炮不但打擊精確度差，重炮發射機還頻出故障，炮戰並沒有達成目標。24日，日軍將重炮兵將位置前移，以直接摧毀蘇蒙軍的第一線工事，但是遇到蘇蒙軍的強烈反擊，剛到職僅半個月的第71聯隊長長野榮二也被擊成重傷。7月25日上午7時，雙方的炮擊開始，蘇軍的炮火密度比前兩天更大。日軍向前推進的兩個重炮兵大隊，炮和人員幾乎損失殆盡。日軍無法將蘇軍驅離河東，雙方繼續維持爭持局面。
在與日軍不斷進行小規模戰鬥的同時，蘇蒙軍正在以各種隱蔽的方式，進行著緊張的作戰準備。擬在冬季到來之前，全殲這批日軍。8月中旬已作好準備的蘇蒙軍，其進攻計劃是：扼守正面;另以優勢兵力從日軍防守陣地的搜索隊北側和第71聯隊的南側，進行大迂迴，合攏後予以分割，然後各個殲滅。
8月20日周日凌晨，蘇蒙軍在朱可夫的指揮下，在30公里長的前線發動主力進攻。此時，日軍前線各部隊此時還有不少將校級軍官在海拉爾休假，日軍的防禦設施只完成全部工程的三分之一。
蘇蒙軍首先是以轟炸機群，突然轟炸日軍的陣地，至20日拂曉轟炸更為猛烈，各炮群也參與進攻，日軍綿延40公里的前沿陣地，籠罩在濃烈的煙火之中，日軍的觀察所、通訊聯繫及炮兵陣地全被摧毀。8時45分，蘇蒙軍的裝甲部隊、摩托化步兵，包抄日軍南翼、北翼，且皆指向諾門罕地區，他們在沿途還插上小紅旗，以表示到達的位置。而此時位於正面的蘇蒙軍，則緩緩向前推進。在蘇軍發起大規模的迂迴攻擊後不久，23師團嚴令部隊依託陣地進行固守，並於8月20日夜間，即著手組織對蘇蒙軍的反擊。24日，各守據點的日軍內外兩面反擊，試圖突破包圍圈，但均遭失敗。當日下午小林恆一被擊成重傷，不久，第72聯隊長酒並美喜雄也因重傷而相繼離開戰場。戰鬥到8月26日，日軍第23師團已經被完全合圍了。在蘇軍重炮群、坦克群、航空炸彈的猛烈轟擊下，日軍第23師團損失慘重。就在日軍即將被全殲之際，蘇軍放鬆了攻勢。趁著蘇軍的疏忽，日軍第23師團僅存的2000餘官兵僥倖逃出包圍圈。
當戰場情況已呈不利時，關東軍於24日決定：調第7師團主力至戰場，企圖打破蘇蒙軍的圍攻;25日下令調駐牡丹江市以東的第2師團、野戰重炮兵聯隊、速射炮部隊至戰場;26日情況緊急時，又下令調駐佳木斯、勃利的第4師團急速至諾門罕地區。然而當這些部隊相繼到達戰場時，蘇蒙軍已對23師團達成了戰役圍殲。8月29日，日軍決定調在中國關內戰場駐青島的第5師團;駐河南開封、新鄉地區的第14師團;野戰重炮兵第5、第10聯隊，速射炮9今中隊，16個野戰高炮隊，1個飛行戰隊，22個汽車中隊，以增強諾門罕地區，準備與蘇蒙軍一決雌雄。
然而就在這時，蘇聯外長莫洛托夫和德國外長里賓特洛甫8月23日在莫斯科簽訂了《蘇德互不侵犯條約》。這等於日本聯合德國從東西兩線夾擊蘇聯的計劃徹底破滅，日本被他的盟友出賣了。9月3日，日本參謀本部向關東軍下達了第三四九號大陸命，命令關東軍終止攻勢作戰。為時135天的諾門罕戰爭結束了。
日軍在此役失敗後受到很大衝擊，一向持「皇軍不可戰勝」這一觀點的日軍各級指揮機關所受的衝擊就更大。日本關東軍是日本陸軍的一個重要組成部分，在日本享有「皇軍之花」的美譽，在歷次侵華戰爭中，傷亡只占總人數10%左右。然而這支部隊堅守的「大和魂」與「武士道」無法彌補日軍裝備間的差距，在朱可夫運用空、步、炮兵與裝界部隊協同作戰的「大縱深作戰理論」前遭到了前所未有的失敗。按照日軍統計，第23師團出動人員共為15975人，戰死4976名、戰傷5455人、下落不明639人、得病1340人，總計減員為12410人，占其總人數的77%。步兵大隊長以上(包括3名參謀)共17人，戰死6人、負傷8人;步兵中隊長43人，戰死11人、生死不明1人、負傷19人;步兵小隊長(排長)232人，戰死91人、負傷90人，僅剩51人。參加過諾門罕作戰尚存的日軍，對蘇蒙軍猛烈的炮火和坦克群摩托化步兵，從兩翼以驚人的快速迂迴包圍，仍記憶猶新，驚駭不已。
更為重要的是，這場戰役影響了二戰的局勢。戰事發生前，日本東京當局仍為「北進」及「南進」的策略而爭論。北進計劃是以陸軍向蘇聯西伯利亞發動攻勢，目標是進攻至貝加爾湖一帶。而南進計劃則是以海軍為主，奪取東南亞資源。而這場戰爭讓日本對蘇軍產生了心理障礙，甚至在蘇德戰爭爆發，蘇聯減弱東部防務的情況下，日本都不願與德國夾擊蘇聯，使蘇聯避免了與德、日兩線作戰的不利局面。不敢「北進」的日軍只能轉而「南進」，最終引致日本偷襲珍珠港，迫使美國對日宣戰，使同盟國及軸心國間的力量對比發生根本變化。諾門罕戰役就這樣改變了二戰的進程。
