在第二次世界大战期间，诺门罕战役虽在规模和战况激烈程度上并非首屈一指，却对二战局势产生了极为深远的影响。 1939 年之前，日本军部内部就下一步进攻策略争论不休。陆军主张北进，进攻苏联西伯利亚，目标直指贝尔加湖一带；海军则计划夺取东南亚资源，尤其是石油。日本在与苏联开战还是与英美法等国开战之间举棋不定。

1939 年 5 月，诺门罕地区发生边境冲突。5 月 4 日，90 多个蒙古骑兵在哈拉哈河以东、诺门罕附近放牧，被日本锡林陶拉盖哨所三连一班士兵发现并开枪阻击，蒙古放牧人被追赶到河的西岸。随后，蒙古军第七国境哨所的 50 多名骑兵对日本哨所进行武力攻占。

此地为日本和蒙古争议地区，日本认为边境应在哈拉哈河以东，而蒙古和苏联认为边界在河东 16 公里的入马罕东边地区，属蒙古国国土。此次冲突促使日本关东军决定干预，一方面可试探苏联实力，另一方面可趁机实施北进战略。

于是，日本关东军司令部将两个飞行战队调拨给小松原道太郎的第 23 师团。5 月 14 日和 15 日，小松原师团的骑兵连长东八百藏中佐指挥本部 104 名骑兵、90 名装甲兵及 5 架轰炸机，对蒙古的 742 高地发起攻击。蒙古军伤亡 30 多人后撤向河西。 由于日本的武力干预，苏联依据苏蒙互助条约决定介入蒙古战事。

苏联将第 11 坦克旅和摩托化步兵第 36 师向哈什哈克集结，同时飞机也向战事地区聚集。5 月 22 日和 24 日，苏联空军与日本关东军飞行集团在诺门罕上空展开激烈空战，最终日军夺得制空权。 5 月 24 日，蒙古骑兵第 6 师渡过哈拉哈河，击退伪满国骑兵，并在哈拉哈河以东 10 公里的高地设置防御阵地。

之后，苏军第十一旅的摩托化步兵营分成三个连队，分别部署在蒙古军南北两侧及后方浮桥以西担任预备队，将一四九团作为总预备队设在哈拉哈河以西 120 公里处。 5 月 25 日，日本第 23 师团长小松原道太郎到达甘珠尔庙召开军事会议。

在此之前，小松原收到大本营的国际纠纷处理纲要，授权他在边境线不明地区有权自行使用武力。小松原认为消灭越境蒙古军的时机已到，命令山县大佐统率山县支队作为主力从正面进攻。在山县大佐左侧是立川大卫的小队，右侧是伪满洲国准备军骑兵第 8 团，他们与山县支队平行前进。浅田忠义少尉率领第 4 中队前往哈拉哈河口以北，后藤亲大尉率领第 11 中队前往哈拉哈河最南侧，东八百藏中佐则率领师团骑兵连队迂回到苏军后方，摧毁哈拉哈河口浮桥，切断东岸苏军退路。

计划于 27 日夜晚出发，28 日凌晨 5 点同时发起进攻。日本依据日俄战争经验，认为俄军后路被断会全线崩溃。5 月 28 日凌晨 4 点，苏军第 11 摩步营营长发现偷袭的东八百藏，率领第一连将其阻击在距离浮桥 1.7 公里处。战斗持续到中午 1 点，东八百藏向支队求援，下午 5 点获得浅田小队增援。

晚上 9 点，东八百藏准备利用日军传统夜战转入反攻，此时苏军第 19 团赶到战场，在三部探照灯照射下对东八百藏发起总攻。经过数小时激战，日军击退苏军进攻，但部队死伤近半。29 日凌晨 3 点，苏军从三个方向再次发起进攻，下午 2 点，东八百藏部队只剩下 25 人，他本人也在突击中战死。晚上 9 点，小松原师团派遣三个中队支援东八百藏，苏军以为是日军大部队增援，主动撤回到哈拉哈河西岸，第一次诺门罕战役结束。

在整个 6 月，苏联向诺门罕附近的哈勒哈河两岸增兵。斯大林认为德国迟早会进攻，若不彻底打消日本的进攻企图，未来可能出现东西两面夹攻的局势。于是他任命朱可夫为 57 特别军军长，前往诺门罕地区负责指挥。 6 月下旬，日本第 23 师团全体出动，小苏元带领 2 万人向诺门罕进发。关东军司令部调集第一坦克团和第二飞行集团支援第 23 师团。

6 月底，日军在北面渡过哈勒哈河，进攻哈勒哈河以东的苏军，意图阻隔苏军援军并切断河东苏军退路。朱可夫集合 200 多辆坦克和 300 多辆装甲车进行反攻，同时在前线上开设更多野战机场，以维持空中优势。 9 月 3 日，日军撤回到河的东岸，双方从后方增调炮兵。

7 月 4 日中午，苏军坦克及装甲车部队与日军战车部队展开战斗。在 7 公里宽的战场上，苏军近百辆坦克和 300 多辆装甲车将日军 97 辆坦克和 37 辆装甲车包围，最终日军 40 多辆坦克被击毁，装甲车全部被摧毁。之后双方在夏天一直僵持。

直到 8 月 20 日，苏军在朱可夫指挥下发起总攻。此次苏军投入总兵力约 57000 人、524 辆坦克和 500 多架飞机，计划从北翼以步兵进攻吸引日军增援，在中部以步兵牵制日军主力，在南翼集中一个步兵师、一个装甲旅约 1 万多人和 300 多辆坦克快速向北前进，从侧翼包围日军。日军作战策略是先阻挡苏军进攻，待苏军进攻力减弱后，再用援军从侧面包围苏军。但在此次战斗中，苏军闪电般的立体机动作战迅速突破日军防线。

8 月 24 日，苏军在南北两翼对诺门罕地区的日军进行合围，两个日本关东军师团的主力被包围。在苏军重炮群、坦克群以及空中的猛烈轰炸下，日军损失惨重。 8 月 31 日，在被上万吨炸药轰炸 11 天后，日军开始突围。早在 8 月 29 日，日本大本营就看到诺门罕地区战事不利，再次调集重兵增强诺门罕地区兵力，但在攻势发起前的 9 月 3 日被阻止。9 月 15 日，日本驻苏大使和苏联外交部长签订停战协定，双方于 9 月 16 日凌晨 2 点停止一切军事行动，诺门罕战役结束。

在这次战役中，日军参战兵力超过 58000 人，但实际参战的只有 23 师团的 25000 人，其他部队都是在战争末期 8 月 29 日之后才调来的。日军阵亡 7600 人，负伤 8600 人，下落不明 1000 多人。苏军在这次战役中投入 57000 人、500 多辆坦克和 350 辆装甲车。

苏联官方统计阵亡人数为 4000 人，但根据 1991 年苏联解体后的资料显示，苏军真正死亡人数约 8000 人，超过 1000 人失踪，另有 16000 人受伤。很多人认为诺门罕战役中苏军坦克比日军强大，可直接碾压过去。

然而实际上，参战的苏军坦克都是 BT 坦克和 T26 轻型坦克，在装甲厚度上与日本坦克差不多。战役中最大的坦克是日本的 97 式坦克，但因数量很少，对整个战役起不到太大作用。 诺门罕战役的影响在于，使日军决策者实行南进计划，最终引发太平洋战争。而在苏联这边，远东的安定使得苏联在苏德战争爆发后，能够将远东部队调往西线，避免了两线作战。