陈锋所部在东部草原纵横捭阖的时候，苏联军队也没有闲着，也许是被陈锋所部给刺激到了，为早日解决诺门坎地区战事，苏军统帅部决定在塔木察格布拉格的第57特别军扩编成第1集团军，朱可夫被任命为集团军司令员。
第1集团军总兵力6万余人，下辖即第57师、第82师、第152师3个步兵师、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防空营等其他部队。另外，外蒙骑兵第6师、骑兵第8师等部队也归苏联第一集团军指挥，至此，集结在诺门坎地区的苏蒙联军竟然达到了10万余人。集中在前线的坦克多达500辆、装甲车346辆、大炮542门、飞机515架。
另外，苏联方面为了打赢这一仗，打消日本人对苏联远东地区发动全面进攻的阴谋。在斯大林的亲自命令下，动用铁路昼夜不停的运送来18000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。
同时，以免出现东西两线作战的危险，苏联积极同德国进行接触。而德国方面的回应也让苏联很是欣喜，于是苏联一边与日本进行战争，一边则是与日本的盟友德国进行谈判。
日军的几次进攻令朱可夫对于对面的敌人有了一定的了解。觉得那些日本矮子应该没有想象中那么强悍，因此朱可夫与下面的军官们商议了几次。决定率先向日军发动进攻，以此来取得战争的主动权。
6月11日，就在开鲁城下战斗正酣之时，苏联第一集团军司令部下达了总攻的命令，之所以选择这一天发动总攻，完全是因为苏联的情报人员得到消息，按照惯例，每到星期日。前线的日军高级军官都会轮流回海拉尔去休假。
11日凌晨2点10分，总攻的命令传达到一线连队，对面日军阵地一片沉寂，苏军反攻做到了最大的突然性。
按照作战计划，苏蒙军将出动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、大炮对巴音查岗高地周围的日军展开大规模的进攻。由于前段时间日军损失惨重，大量的战车部队被围歼，因此前线的日军只有少量的坦克和装甲车，反坦克武器也少的可怜，因此战斗从一开始就不是一场公平的决斗。
虽然遭到苏军成千上万吨炮弹猛烈轰炸。还被苏军装甲部队合围，但日军毫无惧色，在阵地上勇敢地和苏军激战。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。
战至6月14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。第六军前来增援的八千多部队在路上遭到苏联空军的猛烈轰炸，损失过半。暂时无力前进。
17日，就在东部草原传来日军第12师团全军覆没的消息之后，朱可夫下达了对包围圈里日军最后一战的命令。数万苏联红军在坦克大炮飞机的好掩护下，向日军简陋的阵地发动了总攻。
是役，苏军全歼日军第23师团搜索队，日军第23师团第23步兵旅团第64步兵联队、第71步兵联队被全歼，第72步兵联队被重创。第13野炮联队、第23工兵联队、第23运输联队伤亡过半。同时日军第7师团第26联队第1大队、第2大队以及第64联队和炮兵第13联队被苏军大部歼灭，第64联队长山县武光大佐、炮兵第13联队长伊势高秀大佐、23师团第71联队长森田彻大佐均被击毙，另外此战日军损失了一半以上的枪支弹药和几乎全部的重武器。
南北两线都遭到惨败，这让关东军司令部大惊失色，关东军司令部植田大将一边命令仙台第二师团以及第29师团、第7师团8000人、高炮部队和国境守备队主力向诺门坎前进，增援海拉尔守军。同时植田大将向国内求援，请求大本营增加更多的部队到中国东北。
日军大本营知道事情的严重性，如果苏联和陈锋所部同时向伪满洲国进攻的话，那事情可就麻烦了。1939年6月22日，鉴于日军在诺门坎地区的不利情况，日军大本营决定从中国关内战场调集第5师团(驻扎广州）、第6师团（安徽安庆），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个汽车中队到出关参战，以增强诺门坎地区。
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