6旅、第7旅、第11旅，空降第212旅、机枪第5旅、炮兵第185团，反坦克炮第37、85营，第63、66、150防空营等其他部队，另附外蒙骑兵第6师、骑兵第8师等部队，共计机械化大军10万余人……
另外，苏军动用铁路线，昼夜不停地运送来了10吨炮弹，6500吨炸弹，7000吨燃料，4000吨粮食和4000吨物资、3000辆载重汽车.....
苏军一共在诺门罕地地区，动运了498辆坦克、346辆装甲车，542门大炮，515架飞。
7月15日，朱可夫被任命为集团军司令员。
苏军总参谋部，决定总攻时间为8月20日，那日是星期天。因为，按照惯例，日军前沿部队的军官，有半数要轮流到海拉尔去休假。
苏军进攻的命令，20日凌晨2点45分传达到一线连队，对面日军阵地一片沉寂，苏军反攻做到了最大的突然性。
8月20日凌晨，苏蒙军发起总攻战役。苏蒙军以3个步兵师，2个骑兵师，5个装甲旅，1个机枪旅，1个空降旅以及大量的飞机、大炮，开始举行大规模的反攻。
日军虽然1辆坦克也没有，被苏军成千吨炮弹猛烈轰炸，还被苏军装甲部队合围，但日军毫无惧色，在阵地上口中喊着“为天皇尽忠”，勇敢地和苏军激战……
日军构筑在蒙古旷野上的土木机构工事，很快被苏军的大炮轰成平地，日军就依托单兵，用工兵铁锹挖成的简易单兵掩体作战。
8月24日，日军竟然还发起了反击，3000名没有炮火掩护的日本步兵，被阻止在铁丝网和野战工事以及大炮面前，随后苏军坦克开始出击，日军后退。
战斗到8月26日，日军第23师团已经被完全合围了。
在苏军重炮群、坦克群、航空炸弹的猛烈轰击下，日军第23师团损失惨重。
此役，苏军重创日军第23师团搜索队，全歼第7师团第26联队第1大队，日军第64联队和炮兵第13联队，被苏军大部歼灭，日军第64联队长山县武光大佐和炮兵第13联队长伊势高秀大佐均被击毙，23师团第71联队长森田彻大佐，也在些役被击毙，日军仅有的22门加农炮全部丧失。
8月31日，在被上万吨炮弹轰击第11天后，弹尽粮绝的日军第23师团决定突围。2000多名第23师团的残兵败将，用手榴弹近战杀出一条路，突出重围。日军各部队也随之突围。
当日军的本土大本营得知了诺门罕的战役情况后，鉴于日军在诺门坎地区的不利战局，日军大本营决定在中国的关内战场调集驻青岛的第5师团，第14师团（驻河南开封、新乡），野战重炮兵第9、第10联队，速射炮9个中队，16个野战高炮队，1个飞行战队，22个汽车中队，到达中国东北，以增强诺门坎地区……
华胜利也得到了情况，有日军的运输部队源源不断地从东北向蒙古那边运去，华胜利决定，这得揍小鬼子的运输队啊……
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