当野战机场修建好后，苏联的战斗机便开始在空中与日军飞机展开了激烈的战斗，在战斗机的掩护下，苏联轰炸机对阿尔山、甘珠尔庙和阿木古郎附近的日军集结地进行了大量的轰炸，造成了大量的日军人员伤亡和大量物资的损毁。 六月二十日，日军第二十三师团全体出动，师团长小松原中将意气风发的带着两万人向诺门罕进发，同时，关东军司令部调第1坦克团和第2飞行师团共70辆坦克和180架飞机，支援第二十三师团进攻作战。 六月二十一日，日军第2飞行师团师团长团长嵯峨彻二中将把他的司令部从新京迁至海拉尔，和他一起到来的是4个飞行团，17个战斗轰炸、侦察机中队，准备和苏联空军好好的打上一场。 但是，六月22日，苏军出动了150架飞机空袭甘珠尔庙、阿木古郎将军庙一带的日军集结地和野战机场，日本飞机在收到苏军飞机来袭的消息后也是倾巢出动。 结果，苏军和日军的飞机在诺门罕地区上空大战了三天，日本关东军第2飞行师团损失了六十多架飞机。 此后，苏联空军的飞机不断从各处调集过来增援这边的战斗，而且苏联把很多新型的战斗机也派到了战场上，这使得日本空军逐渐丧失了空战中的主动权，处于被动挨打的地位。 六月二十七日，137架日军飞机从海拉尔机场起飞，空中的飞机编队布满海拉尔上空，之后日军机群来到苏军在达塔木察格布拉格机场的上空进行狂轰滥炸，这次轰炸也是摧毁了不少苏军的作战飞机，但是苏联的后续增援飞机很快便把这次的的损失补充了回来。 六月底的时候，关东军司令部命令第二十三师团尽快发动地面攻势，于是在七月一日，日军第二十三师团在师团长小松原中将的指挥下，向哈拉哈河西岸发起了攻击，在中午的时候，日军第二十三师团顺利攻占了谢尔陶拉盖高地。 当得知日军发动了全面进攻后，朱可夫立即就组织了150辆坦克、154辆装甲车、90门大炮和全部飞机及其它部队，分三路反攻。 由于战场周围全是开阔地，非常有利于飞机和战车作战，日军第二十三师团的部队就这么无遮无拦的全部都暴露在了苏军坦克和装甲车炮火的面前。 同时，苏军轰炸机和歼击机群也是对日军进行了轰炸和扫射，苏军的大炮更是发挥到了极致，炮弹像不要钱的一样，猛烈的轰击着日军部队。 在苏军猛烈的火力打击下，日军第二十三师团的进攻被苏军给打退了下去，日军在苏军的猛烈打击下，甚至都无法开展有效的火力对射，很多官兵只能匆忙的在沙地上挖掘个人掩体用于保命。 在日军第二十三师团还没做好防御准备的时候，苏军第11坦克旅的150辆坦克便向龟缩在沙丘掩体的日军冲了过来，这一下就把日军第二十三师团给打崩溃了，日军部队直接就在苏军坦克的攻击下溃逃了。 第二十三师团的进攻失败后，日本关东军司令部也是命令第二十三师团停止攻势，进行战线整顿，同时决定向诺门罕前线增兵。 日本关东军司令部针对苏军的火力配置，也是增派了独立野战重炮联队，针对苏军的坦克装甲力量，从奉天、北安、齐齐哈尔等地增调了反坦克速射炮中队，并以最快的速度给第二十三师团补充武器和兵员。 日本关东军不但加强正面战场上的作战部队实力，同时也是指示臭名昭着的731部队在诺门罕地区的细菌战。 731部队碇常重少佐受命带领二十二名敢死队员，在哈拉哈河乘两只胶皮筏顺水将225公斤伤寒、霍乱、鼠疫、鼻疽等细菌撒入河水中，向苏蒙联军进行细菌战。 但是，这次731部队的细菌战行动，让日军自身以一千三百四十名官兵染上伤寒病、赤痢病和霍病，并且731部队自己的军医和敢死队员，被细菌传染而死亡的就有四十多人，可谓是让人啼笑皆非。 日本关东军在诺门罕前线的各部队经过了半个月的补充和休整后，便迫不及待的向对面的苏军再次发起了全线总攻击。 结果，日军的这次全线攻击，在苏军的强大火力下再次被无情的打退了回去，日军只能是再次退回原地休整，并向关东军司令部发出了求援电报，而关东军司令部则是给部队下达了“停止进攻，构筑阵地”的指示。 为了能尽快解决诺门罕地区这边的战事，苏联军事统帅部决定将在塔木察格布拉格的第57特别军扩编成第1集团军，并任命朱可夫为集团军司令员，这支部队属于临时编组的具有独立作战职能的多兵种合成的大兵团。 苏军集结了第1集团军所辖的三个步兵师，即第57师、第82师、第152师、摩托化第36师，机械化第5旅，装甲第7旅、第8旅、第9旅，坦克第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防空营及外蒙骑兵第6师、骑兵第8师等部队，共计机械化大军10万余人，并集结了498辆坦克、346辆装甲车，542门大炮，515架飞机。 同时，苏联在日军休整的这些时间内，利用铁路昼夜不停的运送来吨炮弹，6500吨炸弹，7000吨燃料，4000吨粮食和4000吨物资、3000辆载重汽车，用以保障大军的作战需要。 在一切准备就绪后，苏军总参谋部决定将对日军的总攻时间为8月20日，因为这一天是星期天，按照日军的惯例，这一天前沿部队的军官有半数要轮流到海拉尔去休假，这就让苏军有了可乘之机。 为了防止进攻计划的保密性，苏军的进攻命令直到20日凌晨2点45分才统一传达到一线作战部队，而苏军对面的日军阵地还是一片的沉寂，完全没有发觉苏军即将开始的进攻，这让苏军的这次进攻达到了最大的突然性。
