1939年7月2日，日军率先发动进攻。日军采取夜间突袭的方式，用40辆坦克对苏军发动偷袭，击毁苏军坦克12辆、卡车20辆、各类火炮近20门。尝到甜头的日军于次日以相同的战术继续发动冲锋，而苏军则用重炮和路障等手段阻止了日军的推进。日军随即以第64步兵联队为主力向733高地发动冲锋，不过即将占领高地的日军士兵发现，苏军竟出动了300多辆坦克向他们推进。面对这种情况，日军一方面用坦克还击，另一方面，日军士兵自制燃烧瓶攻击苏军坦克。该战术使苏联损失惨重，不仅有超过100辆坦克被毁，苏军第11坦克旅旅长雅科夫列夫上校在混战中阵亡。
但是蒙受巨大损失的苏军丝毫没有撤退的意思，反而投入更多兵力发动进攻。在第23师团副参谋长矢野音三郎少将的建议下，日军于7月3日晚开始撤退。然而苏军穷追猛打，利用照明弹将夜间的战场照得亮如白昼，同时用密集的火力压制日军。苏联人的目的是想借此打乱日军的撤退计划，再用步兵歼灭混乱中的日军。撤退的日军遭受了一定的损失，不过主力还是成功从河岸边撤离。
随后，日军反思了失败的教训，认为苏联的主要威胁不是坦克，而是强大的火力集群。7月23日，日军再次展开反攻。日军先以诱致射击探明了苏联炮群的位置，并对这些目标进行了两轮火炮打击。然而日本人打着打着就发现不对劲儿了：苏军非但没有被压制，反而跟日军展开了对轰，且火力还盖过了自己。关东军高层认为情况不利于诺门罕的日本军队，便向大本营求援，希望能够得到第五、第七师团的增援。然而日本大本营对关东军自作主张等行为极度不满，迟迟不做回应。
日本已经领教了苏联人的可怕，开始寻求外交途径解决争端。然而朱可夫却再次申请了一批支援，于8月20日发动了新一轮的反攻。苏军还是老套路，先用空军和火炮对日军阵地狂轰乱炸，然后用“钢铁洪流”地毯式推进，步兵紧随其后。然而苏军的步步紧逼也激发了日本人的战斗力，日军非但没有溃退，反而坚守阵地甚至发动反击。大本营也做出决定，让精锐的第七师团前去增援。不过该决定确实已经迟了，巨大的减员让第23师团无法再守住阵地，而苏军的火力却愈发猛烈，甚至一度出现每分钟有200发炮弹落到阵地上的可怕状况。8月28日，援军抵达之前，日军防线终于开始全面溃散。
此役，日军损失飞机250架、坦克135辆，阵亡8440人，受伤8766人（苏联官方宣称的“歼敌6万”应该是加了伪满洲国军队），而号称“大捷”的苏军竟然损失更重，损失飞机809架、坦克500辆，阵亡9703人，受伤则达到15251人。除此之外，日军在这场大败后对军队内部进行了整顿，一举解决了日军中“下克上”（下级军官不服从上级，擅自发布命令）的弊病，军队战斗力大大增强。而苏联方面则是用惨重代价换取一场胜利，重要的是，这场胜利让朱可夫免除了最高领袖准备给他的一堆罪名。然而，苏联的损失实际上是惨重的，仅7月，苏军被摧毁的坦克数量就多达一个坦克军，日本军队表现得也并在苏军之下，而这些事实都被苏联人用政治手段隐瞒了。客观地说，诺门罕战役对苏联来说，更像是一场“气势上的胜利”。
有趣的是，诺门罕战役胶着之时，看热闹不怕事大的美国人却在大洋彼岸嘲讽两国“在世界的角落里宣泄愤怒”。然而美国人没有想到，此战让日本改变了战略上的敌人，以至于两年后一场惨剧毫无征兆地降临在瓦胡岛南岸的珍珠港。
