战争已经打了两个多月，一直都是日满军进攻，苏联、外蒙古联军防守。虽然日满军的攻势如黄河之水一浪高过一浪，却始终无法完全冲垮苏军的防线。两次渡过哈拉哈河，不但未能在西岸站住脚跟，反而付出了巨大的伤亡代价。对于前线指挥官小松原来说，别提有多郁闷了。
就在日军暂停进攻，舔舐伤口之时，对面的朱可夫终于耐不住寂寞了。早在7月中旬日军不断增兵的时候，朱可夫已经着手筹划对日军实施一次绝地反击。他清楚，要想彻底打垮狂妄的日本人，不能指望四平八稳、慢慢悠悠的持久战，苏军必须毕其功于一役，发动一场排山倒海的大反攻，才能让日军彻底断了北进的念头。当今世界危机四伏，欧洲随时可能爆发大规模的战争，朱可夫知道，要是这一仗能够打得漂亮一点，伟大的斯大林同志就一定不会再“清洗”自己了，那今后就会有更大、更多的仗可打。此时他还不知道，在斯大林心里，已经在盘算如何与希特勒一起去瓜分波兰了。
综合前线的各方面情况，朱可夫向莫斯科建议，8月中下旬实施一次大规模的反攻，还列出了打败日军的必要条件，那就是双方的人员和装备对比必须不低于：步兵1.5∶1，机枪1.7∶1，炮兵2∶1，飞机2∶1，坦克和装甲车4∶1。这就是不打无准备之仗的朱可夫的思路——集中优势兵力一击破敌。
朱可夫所做的第一件事，还是进行各种战斗物资的储备。早在6月刚到诺门坎前线不久，他便下令两个铁路兵工程团和一个筑路工兵营修筑从苏联博尔集亚到外蒙古乔巴山市的战备铁路。这些部队仅用了58天，便将铁路铺设到了324公里之外的桑贝子，苏军的补给线一下子缩短了一半。铁路的通车使苏军的补给效率大大提高。朱可夫集中的那4000辆重卡和1400辆油罐车，从开战到现在，二十四小时连轴转就没停过。到7月下旬，苏军总共给诺门坎前线抢运了6万吨的各类物资。而同一时期内，日军的马拉车和牛拉车拼死拼活运到前线的物资只有可怜的1500吨而已，差距达到了40∶1。
为了麻痹日本人，朱可夫命令停止对日本人的无线电干扰，故意发出一些有关木料紧缺、水泥质量有问题的电报，同时调集大功率的音响设备到前线，将模仿打桩的声音通过音响向外播放，造成苏军正在修筑过冬工事和营房的假象。在坦克部队调动时，苏军出动轰炸机进行低空飞行和射击，用飞机的声音掩盖坦克的噪声。苏军还大耍瞒天过海之计，故意将一些坦克的消音管拆除，让它们在前沿阵地上来来回回地走动，使得日军的前沿士兵对坦克的声音习以为常。通过这一系列真真假假的手段，朱可夫成功实施了部队集结，特别是坦克部队的前线集结。直至进攻前夕，苏军坦克开始向前推进的时候，日军前哨阵地的士兵才有所警觉，但日军指挥部的值班军官却妄下判断：“不用理他们，朱可夫总得让他的部队有点事干。”
苏军还特意在前线印发了一些小册子，名字就叫“战士防御须知”，小册子中介绍一些冬季如何加强防御的技巧，还故意在空投的时候误让一些小册子落入日军手里。
相对于苏联、外蒙古联军的厉兵秣马，对面的日军却十分悠闲。7月29日，关东军司令官植田谦吉大将拖着一条笨拙的假腿，来到了诺门坎前线指挥部所在地将军庙。这是诺门坎战役爆发以来视察前线的最高级将领。
作为参加过日俄战争的老军人，植田大将一贯看不起俄国人。他真没想到，关东军倾其所有还是没能打垮老毛子，反而被对手打得鼻青脸肿，所以他认为有必要亲自到前边看看去。在小松原中将的陪同下，植田大将检阅了各作战部队的欢迎队列，并对前线的攻防发表了一番重要讲话。光玩虚的也不行，为了补充前线的损失，植田下令将第七师团第二十七联队的两个大队和一个炮兵大队调到海拉尔作为第二十三师团的预备队，来自奉天的第一独立守备队也划归第二十三师团指挥。这说明尽管打了败仗，但关东军总部和植田大将本人对小松原还是非常信任的。
植田大将到前线还有一件大事要办，那就是给英勇负伤的天皇陛下的女婿盛厚上尉授勋。很快，一架专机从海拉尔的豪华病房里接来了盛厚上尉，并直接送到了将军庙。植田司令官亲自高声宣读了关东军司令部的嘉奖令，并将一枚一级武功勋章亲手缀在了殿下的胸前。
本来这样的仪式放在前线阵地上效果更佳，但是那里不时有苏军飞机的轰炸和炮兵的袭扰。殿下已经受伤了，不能再有任何闪失，只好在将军庙这地方凑合一下吧。接受勋章之后，驸马爷很快又乘坐同一架飞机永远离开了让他痛苦难忘的诺门坎前线。
前线死了那么多人都稀松平常，可是一个小小的陆军上尉居然因为受点轻伤就能得到如此的荣誉，而且有专机来回接送，植田司令官还亲自颁奖，诺门坎前线的将佐们不禁面面相觑，都怪自己没能娶上好老婆。
地面的冲突暂时停歇，但空中小规模的零星格斗一直在持续。朱可夫命令空军在大反攻之前要不断出动对日军进行袭击，消耗日军已经日渐衰弱的空中力量，提前扫清来自空中的障碍。7月29日，20架苏机袭击了日军的前线机场，日军第二十四战队中队长可儿才次少佐刚刚执行任务回来，飞机着陆后还没走出机场，就被当场炸死。王牌飞行员这样窝囊地死在地面上，估计可儿少佐一定是死不瞑目了。在当天傍晚的又一轮空袭中，第一战队中队长原田文雄少佐又机毁人亡。8月2日，苏军50架战机再次袭击将军庙机场，日本最优秀的飞行军官、曾任关东军航空主任的第十五战队队长安倍克己大佐战死。两天之后，刚刚得到补充的日本第二十四战队再次在没有预警的情况下仓皇起飞应战，队长松村黄次郎中佐的指挥机遭受重创强行着陆，松村中佐身受重伤。日本空军的人员和战机损失已经到了难以为继的地步。
植田信任小松原并不代表东京也相信他。眼看前线没有一点起色，大本营决定扩大建制，在诺门坎前线成立第六军，司令部就设在离诺门坎最近的海拉尔。随着新调集部队的陆续到来，前线的部队总数再次超过了8万人。大本营不相信小松原有指挥这么多人马的能力，于是调原驻关内宜昌的第十三师团师团长荻洲立兵中将任第六军司令官。此举让小松原感到跟吃苍蝇一样难受，却也无话可说，谁让你之前连打败仗呢？
从植田司令官、矶谷参谋长等高官到服部、辻政信等作战参谋，对大本营此举无不是既愤慨又伤心：这分明是不信任关东军，有意给我们难堪啊！事实上来说，这个表面上看起来扩大了的编制也毫无意义，一下子破坏了之前好不容易才建立起来的指挥系统和协同关系，等于在第二十三师团和关东军之间又空降来一个军长，弄这一出，俨然脱裤子放屁，多此一举。这军长还是新来的，对前线的情况并不了解。作为刚提拔的军长，荻洲立兵中将也不能不装样子到前线看看，还要顺便做出一些重要指示。让人想不到的是，荻洲的指示恰恰和之前植田大将的指示相反，小松原也不知道听谁的才对。两人见了几次面，互相之间都不冷不热，似乎有点互不买账的样子。
8月中旬，七三一部队的山下健次大尉带领病原菌检查班来到海拉尔，通过检验病员粪便的方法最终确认，前线大量士兵染发的怪病的根源，就在于自己之前投放的传染病菌。
荻洲中将来到诺门坎前线之后也没有觉察到苏军反攻的准备。前线观察报告说苏军正在大规模地修建过冬营房，有限的几次空中侦察也只看见苏军长长的运输车队在广阔的原野上奔驰。荻洲中将立即相信了前线小松原一伙做出的结论：苏军正在做过冬的准备。对苏军车队忙个不停，荻洲给出了一个他认为完全科学合理的解释：诺门坎的冬天极为严寒，最低气温常常低于零下40摄氏度，要想在诺门坎过冬当然需要大量的御寒物资，苏军运送物资那是一点都不奇怪的呀。于是，荻洲放心地回海拉尔去了，他甚至没有取消军官周末轮流度假的命令。你们要过冬，我们也轮班潇洒一下吧。他不知道苏军的那些运输车队运送的不是修建营房的物料，而是苏军准备反击的作战物资。
关东军司令部也相信了荻洲中将的判断，在8月12日下发了《诺门坎事件处理纲要》，其主旨就是要求做好持久战的准备，以便在严冬季节确保既得战果。此时离漫长冬季来临的10月已经不远了，有事咱明年春天再说吧。
苏军的反攻日方并不是没有人预料到。其间关东军曾经接到了哈尔滨特务机关长秦彦三郎少将从苏联远东地区内线得到的绝密情报。情报的内容是，莫斯科要求朱可夫在8月5日至8月10日对日军开始总攻击，朱可夫因为作战物资尚未完全到位，要求推迟攻击时间。与此情报相对应的是，前不久日本驻苏联大使馆副武官土居明夫大佐经西伯利亚铁路回国途中，曾发现苏军的两个师和80门大炮正在运往前线。驻苏联使馆也发来电报，认为苏军一定会在近期发动攻势，可惜关东军和第六军对这些珍贵的情报置若罔闻。
朱可夫规定，直到大反攻到来的两天之前，所有部队一律不准进入划定的进攻出发地域。同时要求苏联军官必须换上士兵的服装提前潜伏到前沿勘察地形，熟悉分配给自己的阵地和进攻方向。
为了确保反击的突然性，反攻作战计划要做到绝对保密，只有朱可夫和他的政委、参谋长以及作战部部长4人知道。也不对，知道的还有一个人，所有战役的计划、命令等作战文件都由司令部一名专门的打字员打印。前线将士都是在总攻开始前3个小时才知道即将发起的总攻。
朱可夫建立了南部集群、北部集群和中央集群3个攻击群。南部集群由步兵第五十七师、坦克第六旅、外蒙古骑兵第八师、摩托装甲第八旅、坦克第十一旅的两个坦克营、一个自行火炮营、坦克第三十七营和一个喷火坦克连组成。北部集群由坦克第十一旅、摩托装甲第七旅、步兵第三十六师第六〇一团、外蒙古骑兵第六师和坦克第八十七营组成。中央集群是步兵第三十六师和第八十二师、步兵机枪第五旅和两个炮兵团组成。总预备队是摩托装甲第九旅和空降兵第二〇三旅。参与进攻的部队和装备总计515架飞机、498辆坦克、385辆装甲车、542门大炮、2255挺机枪以及士兵57000人。
苏联、外蒙古联军的计划是，以步兵为主的中央集群进攻并牵制正面的日军，南、北两个装甲机械化集群从两翼迂回包抄，对日军实施围歼。
朱可夫也清楚日军星期天安排军官轮流到海拉尔度假的惯例。他翻看了日历，8月20日就是星期天。事实正如朱可夫所料，战后统计，在8月20日这天，在200公里之外的海拉尔，风流快活的日军军官超过了总数的40％。
为了保证强大的攻击兵力能够迅速通过哈拉哈河，8月19日深夜，苏联工兵连夜在哈拉哈河上又架起了4座浮桥。
8月20日凌晨2时45分，苏军前锋部队接到了进入攻击阵地的命令。5时45分，随着朱可夫一声令下，苏军数百门大炮对日军的前沿阵地开始了地毯式的猛烈轰炸，日军绵延40公里的前沿阵地刹那间笼罩在一片浓烈的烟火之中。先前已暴露炮位的日军高射炮阵地首当其冲，顷刻之间所有的防空指挥部、高射炮、高射机枪全都飞向天空，为空军之后的大规模空袭扫清了障碍。
随着空中巨大的轰鸣声越来越近，由150架轰炸机和100架战斗机组成的庞大机群遮盖了天空，炸弹如冰雹般从天而降，由小到大，很快在地面上腾起阵阵烟雾。护航的战斗机由于没有战斗任务，也开始对着日军的阵地来回扫射，一个个忙得是不亦乐乎。8时15分，苏军各型火炮又进行了新一轮的攻击。8时30分，第二波空袭再次展开，炸得日军头都抬不起来，连喘气的机会都没有。
3个小时的炮火准备之后，日军前沿的火炮阵地观测所、通信站等固定军事设施全部从地面上消失。8时45分，总攻的信号弹升上了天空，苏军南、北、中3个攻击集群倾巢而出，在强大的炮火支援下向日军的防线发起了全线进攻。
尽管刚刚淋了几番炸弹雨，构筑在旷野上的土木结构工事已经被炮火扫平，但是日军仍然依托用工兵铁锹挖成的简易单兵掩体誓死抵抗。苏军的坦克装甲部队根本不理会那些用轻武器射击的日军步兵——那是留给炮兵、步兵的后续大餐，而是分开南北两翼，专挑没有高地依托、松软沙土地上的散兵线冲过去。这些地方本来就属于警戒阵地，防守力量非常薄弱，所以苏军南北两路坦克装甲部队很快便撕开了日军的防线直插后方。
经过第一天的战斗，苏军成功实现了分割包围日军前沿各作战单位的战略意图。这些高地在短短的时间里变成了一座座无助的孤岛，守在上面的日军很快就成为外无增援、内无粮草的孤军。
8月21日，苏军的两路坦克装甲部队已经在敌后胜利会师，前沿日军部队全部陷入苏军坦克部队的包围之中。为了彻底切断日军的补给，朱可夫使出了釜底抽薪的阴毒一招。派出总预备队第二〇三空降旅乘隙空降甘珠尔庙，一举摧毁了位于该地的日军后勤基地。这一招可谓一下子打在了日军的死穴上，前线日军陷入了弹尽粮绝的极端困境。连隐藏在10公里外的日军重炮部队也因无炮弹可用，只能无可奈何地作壁上观。
关东军司令官植田大将得知第六军大部队陷入苏军包围的消息后大惊失色，急忙召集参谋人员研究如何调派兵力增援诺门坎前线。一群作战参谋的研究结论是，以日军目前的机动能力，即使立即下令增援部队出发，离前线最近的部队至少也要一个星期才能到达诺门坎，远的最少要半个月，可谓远水解不了近渴。在补给完全断绝的情况下，要求第六军坚持战斗一个星期无疑是不现实的。这帮参谋竟然还撺掇植田司令官，提出改变前线被动局面的最好办法就是用更加坚决的进攻来打开敌军的合围。已经束手无策的植田只好电令荻洲立兵，不能坐以待毙，要尽快从被包围的部队中抽调尽可能多的部队组成反击兵团，重点攻打南路的苏军，力图打破敌人的包围。
要说荻洲这军长，老酒也能当，他将抽调兵力执行反攻任务的命令原封不动地批发给了小松原，接到命令的前线日军各部队一片哗然。一线部队白天作战，夜晚抢修工事，缺吃少喝，伤亡惨重，活着的也早已疲惫不堪。如果凭借现有的坚固工事死守，或许还可以多支撑几天。现在上头要求大家离开工事，向苏军坦克装甲车发起冲锋，无异于以卵击石，只会加速部队的灭亡。
计划抽调的部队共有14个步兵大队，总数约15000人。因为大内参谋长阵亡，原来的第七十一联队联队长冈本德三大佐刚刚接任参谋长职务。之后接任的联队长长野荣二大佐又在战斗中身负重伤，继任联队长就换成了森田彻大佐。森田彻开始向老联队长诉苦，说你的老部下就剩下1800人了，如果再抽调两个大队去参加反攻部队，剩下的仨核桃俩枣肯定守不住现有阵地，而参加反攻的部队恐怕冲不了多远也会全部“玉碎”。冈本如今所处的位置已经不一样，他对森田彻的唱衰甚为反感，立即斩钉截铁地回答：“为了帝国皇军的荣誉，即使全体玉碎也要进攻，哪怕是前进两三米也好。”
森田范正少将也向冈本参谋长发出了类似的质问。参谋长的答复是：“司令官命令进攻，那就得进攻下去。”森田少将愤慨地反问：“官兵都死光了，拿什么进攻？”
尽管费尽了千辛万苦，14个大队还是临时拼凑出来了。不过这14个大队经过第一天的激战损失严重，没有一个大队是满编的。反击部队被分成左、右两翼。左翼以第二十三师团第七十二联队和第六十四联队的一部为主力，还有原独立野战炮第十三联队的官兵。这些炮兵的火炮已经基本上被摧毁，剩下的几门炮也因为没有炮弹成了摆设，完全失去了炮兵的作用，现在只能当步兵使用了。这一路由第二十三师团步兵旅团长小林恒一少将指挥。右翼部队以第二十三师团的第七十一联队和第七师团第二十六、第二十八联队为主力，由第七师团步兵旅团长森田范正少将指挥。第六军参谋长藤本铁雄少将也亲自赶到现场督战。
8月23日凌晨3时，执行反击任务的日军士兵纷纷爬出被炸得破烂不堪的工事，趁着夜色向苏军的阵地摸去。留在指挥所的小松原很快便听到前线传来激烈的枪炮声，可部队的进展情况毫无消息。反击部队没有派回通信员，自己派出去的通信员也一个都没回来。他只能根据枪声判断前面激烈的战斗还在持续。
身边马上就有坏消息传来，指挥部直属卫队报告附近发现苏军装甲部队，大惊失色的小松原急忙呼叫空军支援。很快第二飞行集团的12架九七式轰炸机飞到了指挥部上空。这些难得一见的空中力量却没有攻击苏军的坦克，却一通炸弹把指挥部仅存的十几辆汽车一一炸毁后扬长而去。气得小松原破口大骂。
日本空军的误炸反而取得了奇效。苏军坦克部队远远望着一架架日本轰炸机向日本阵地俯冲投弹，这种出人意料的自杀战术使得苏军一下子蒙了，不明白日本人到底在搞什么名堂。苏军机枪手阿廖沙惊疑地问车长：“上尉同志，日军飞机起义了吗？”上尉耸了耸肩：“鬼才知道。”看到这边已经被炸得稀里哗啦，估计也没什么油水了，苏联坦克部队远远眺望了一会，径自走了。
长出了一口气的小松原回头一看，参谋长冈本大佐不见了。仔细寻找才发现，原来参谋长被苏军炮火掀倒的墙面压在了下边。几个参谋赶紧上去七手八脚把参谋长拉出来，冈本比植田司令官还惨，两条腿都断了。为了保住性命，当夜，军医部部长村上德治大佐用手电筒照明，给参谋长截了肢。比起之前当场战死的大内参谋长来说，冈本算幸运了——尽管这幸运也不过是多活了几个月。
傍晚时分，终于有好消息传来，左右两翼反攻部队均前进了2～3公里，就这两三公里已经耗尽了日军的所有力量。参加左翼反击的第七十二联队两个大队只剩下7名军官和87名士兵，指挥官小林少将右腿被坦克火炮炸断，倒地后险些被溃兵踩死，幸亏被一名军医发现，拼死将他救出，他才不至于魂断诺门坎。
右翼部队更惨，他们冲进了苏军的坦克阵。此时苏军坦克已经全部改装为柴油发动机，还加装了一层铁丝网，就连敢死队的“肉搏”战术对它也无可奈何。唯一能奏效的便是连人带炸弹一起先埋伏在坦克的前进道路上，等坦克经过头顶时再引爆炸弹同归于尽。这种做法很容易被坦克的机枪手发现并消灭，也更容易被坦克碾成肉泥，成功的可能性微乎其微。刚刚接任第七十一联队联队长的森田彻大佐——发动卢沟桥事变的罪魁祸首之一，就是在头缠白布条充当敢死队向苏军坦克冲锋时被机枪打成了马蜂窝。接替森田彻出任联队长的东宗中佐很快就发现，他的身边已经空无一人，第七十一联队只剩下他一个人了，四周都是苏军的坦克。绝望的中佐烧掉联队军旗后举枪自尽，第二十三师团第七十一联队至此全军覆没。在森田彻的身后，重炮兵联队长染谷义雄中佐自杀身亡。
日军的拼死进攻也使苏军付出了重大的伤亡代价。很多高地已经被苏军炮火轰得寸草不见，变成了一座座光秃秃的焦土堆，但是残余的日军士兵依然死战不退，使得苏军的步兵每前进一步都要付出重大的伤亡代价。胶着的战况使得在前线指挥部观战的朱可夫焦急万分。他接到了攻击前线一个师长的电话：
“司令员同志，我军伤亡很大，敌军又发起了反攻，能否暂时后退休整一下？”
“你确信无法执行继续攻击的命令吗？”
“很困难，朱可夫同志。”
“请让参谋长接电话。”
对着新接电话的参谋长，朱可夫说道：
“我命令你立即组织发起进攻，不惜一切代价拿下敌军的阵地，你能完成吗？”
“保证完成任务！”
“很好，你现在是师长了，立即执行任务吧！”
很快，前线的消息再次传来，这个师的攻击依然是畏畏缩缩，朱可夫再次拿起了电话。
“师长同志，进攻还有什么问题吗？”
“日军的反击很猛烈，我军伤亡巨大……”
“好的，我现在告诉你，新师长马上会赶过去。在这之前，你必须继续坚决执行进攻命令。”
朱可夫回身对司令部的一名上校参谋说：
“你能完成刚才我说的任务吗？”
“一定能，朱可夫同志！”
“你现在是师长了，马上到前线，把日军的阵地拿下来！”
8月25日晚上，在前线督战的第六军参谋长藤本铁雄少将撂下一句“我要回军司令部去了”之后，率先离开，开启了日军溃逃的先河。但是也有例外，勇猛过人的辻政信少佐反而冲出了指挥部，带领几十个溃兵顺着电话线去寻找可能已经不存在的第七十二联队的军旗。在黑暗中，他们听到了第七十二联队掌旗官原田少尉的呼喊声，原来军旗还在。辻政信派人将军旗送回去，自己带人继续前行。他发现了自己“陆大”最好的同学、第七十二联队副官国本少佐的尸体。看着好友那已经焦裂的嘴唇，辻政信取出水壶在国本的嘴唇上滴了几滴，算是让同学到阎王那里还能说出话。再往前面，辻少佐看到了联队长酒井美喜雄大佐。
两人都非常兴奋，但辻少佐发现酒井大佐的一条左臂已经没了。酒井告诉辻政信，这样打下去，明天就不会再有一个活人了。辻少佐拿起水壶，给酒井倒了一壶盖水。喝过水的酒井大佐感激涕零：“实在太感谢了，谢谢你，也谢谢你这杯水。”辻政信忍不住又给他倒了一壶盖，酒井说什么也舍不得再喝。在辻政信的连连劝说下，酒井感动得泪流满面，泪水滴在壶盖里，酒井边哭边喝下了这“盖”珍贵的“圣泪水”。
到8月26日，日军的濒死反击已经被彻底击溃。不但反击部队伤亡殆尽，没被消灭的部队也全部陷入苏军的包围之中，仅存的阵地也岌岌可危。第六军指挥官荻洲立兵中将收到的唯一好消息就是，尽管很多部队被歼灭，但是还没有一支成建制投降的部队。此时的荻洲中将已经完全没了主张，他断然下达了一道命令，让军需部部长将配备给他的日本清酒换成烈性威士忌。然后自己坐在指挥部里一个劲儿地喝，喝完后逮谁骂谁。喝晕了就趴在桌子上呼呼大睡。
军长烂醉如泥不省人事，刚从前线仓皇跑回来的参谋长惊魂未定，司令部其他所有人都不知道怎么办才好。这时候从外边冲进来一个年轻人，上前就粗暴地摇醒了没人敢惊动的荻洲军长：
“现在你不能在这里喝酒，你应该组织敢死队立即去营救小松原师团长！”
“难道是我把他逼上死路的吗？我能有什么办法？”醉眼蒙眬的荻洲中将自知理亏，倒是没发火。
“你作为一军之长，难道就会叫你的师团长去送死吗？小松原师团长现在正在以身报国，你作为军长就只会喝酒吗？你不知道你的职责吗？你怎么能见死不救？”年轻人的声音越来越大，连帐篷外的那些参谋都听到了，实在听不下去的藤本参谋长跑了进来。
“辻君请息怒，我现在就组织，由年轻的参谋组成敢死队去营救小松原师团长好吗？”
看到藤本参谋长的话没有一个人附和，辻政信怒吼道：“你们都在这里歇着吧，我作为关东军少佐作战参谋，我自己去！”
恰在此时，小松原师团长的专属副官田中少尉冲了进来，向荻洲军长呈上了小松原师长的绝命书。田中代表师团长向军长表示，小松原将军决定在前线战至最后一兵一卒，绝不苟活。荻洲酒也好像清醒了一点，前线的战斗已经陷入绝望，如果再坚持下去，第二十三师团只有全军覆没这一个结果。他知道一个师团被敌军全歼对于大日本帝国陆军意味着什么，于是迅疾下令：“命令第二十三师团实施突围，军部立即组织敢死队负责接应、救援。”
田中少尉却并不买账：“谢谢，既然军部命令突围，那就是我们自己的事情了，不再麻烦军部了。我立即返回前线向师团长传达军长的命令。”之后敬礼转身离开，带着几个敢死队员重新返回战场，把一群高级人才晾在了那里。
让人意料不到的是，从诺门坎前线撤退下来最完整的部队恰恰就是最早出场的第二十三师团的骑兵联队，现在的联队长是井置荣一中佐。在最后的战斗中，井置中佐率领他的骑兵联队驻守在一座高地上。由于他的骑兵联队只有800余人，所以没有抽调人马参加“玉碎”反击，只是奉命坚守自己的阵地，反而保存了不少力量。8月24日傍晚，这支日军骑兵部队只剩下110人。马匹早已经打没了，骑兵全部变成了步兵。
井置中佐召集全体军官开了个会，并在会上传达了小松原师团长“死守到底”的指示，这一命令立即得到了所有军官的一致反对。在弹尽粮绝的情况下，只要苏军一个冲锋，这支100多人的小队伍便会瞬间消失。大家都清楚突围才是唯一的活路，但是谁都不想说出来。
井置中佐明白，即使他能带领大家成功突围，作为联队指挥官，擅自更改作战命令也是死罪难逃。所以大家还可以选择，对他来讲进退都是死。看着那些跟他出生入死的下属，井置中佐在沉思良久之后，断然下达了撤退的命令。为了这100多人能够活下去，他毅然决定牺牲自己。8月25日凌晨，这支精疲力竭的百人队伍告别了700具战友的尸体，踏上了后撤的漫长征程。几天没吃没喝，加上激战，他们的力气已基本耗尽，在突围的道路上，后面的人必须抓住前面人的腰带才不至于掉队或失踪。颇具戏剧性的是，他们一路竟然畅通无阻，趁着夜色奇迹般走出了苏军的包围圈。这支100多人的队伍，成了整个诺门坎战斗中逃出的建制最完整的日军联队。
成功将部属带出苏军包围圈的井置中佐还没有在军营中坐稳，关东军总部便派来了两名和他相熟的军官。不是来慰问，而是劝他“为国尽忠”。虽然早有思想准备，但刚刚脱离险境，获得安全保障之后的井置实在不愿就此了结自己的生命。两位好友就开始苦口婆心地劝说，谈话进行了整整一夜。事已至此，井置也不想让好友为难，天快亮的时候，他对准自己的太阳穴开了一枪，他的两个朋友才心满意足地回去交差了。井置中佐并不孤独，那边同样原因被逼自杀的还有第八国境守备队队长谷部理睿大佐。
山县武光第六十四步兵联队的残余力量会同野炮兵第十三联队残部一起驻守在巴尔夏嘎尔高地上，已经陷入苏军的三面包围。8月27日，苏军正式发起进攻，炮击从清晨持续到下午。15时，苏军出动10辆坦克和500名步兵向高地发起了进攻，坦克在距离日军战壕还有800米的位置停下来，不断地用火炮向日军的工事射击。强烈的炮击打塌了许多工事，很多士兵因此被活活埋在里边。面对凶猛的日军，苏军也不敢靠得过近。在坦克炮火的支援下，苏联步兵一直攻到了离日军核心工事只有80米左右的位置，开始用手榴弹攻击工事中的日军。日军的顽抗持续到了天黑，害怕黑夜的苏军退了下去。日军又可以多活一夜了。
山县大佐并不是一个人在战斗，除了身边的炮兵联队长伊势高秀大佐，他的师团长也在挂念着他。要说小松原中将也绝对够哥们儿，得知山县的窘境之后，他把身边的残余部队集合起来数了数：第七十一联队500人，第七十二联队40人，独立守备队250人，工兵联队300人，师团通信队50人，加起来就有了1140人，带上他自己就1141人了。虽然明明知道这支部队出去也顶不了什么用，但作为战场的指挥官小松原只能这么做，也必须这么做。他准备亲自带着这些部队去营救山县的被围部队。由于已经无法通过无线电与山县取得联系，两支日军互相之间都不知道彼此的位置和行动计划。
8月28日天一亮，苏军对巴尔夏嘎尔高地的进攻再次开始。头一天的情景再次重演。日军的抵抗力也的确惊人，在继续被狂虐了一天之后，苏军在傍晚的时候又退了回去。看来剩下的日军又能再多活一夜了。
这样挨下去早晚是死，山县大佐和伊势大佐于是商量决定，当晚趁天黑撤出战斗。23时，撤退命令下达到每一个士兵和伤员。此时的山县还显示出一名战场指挥官应有的素质，他先安排组织伤员撤退，因此又耽误了不少时间。29日凌晨3时，残兵主力部队的撤退才正式开始。
小松原亲自率领的救援队于8月27日晚上21时出发，路上不幸遭遇苏军的装甲部队，一路且战且走。当他们费尽千辛万苦来到山县联队原来驻守的巴尔夏嘎尔高地时，已经到了29日的凌晨5时，山县残部刚刚撤走两个小时。
山县联队可没有骑兵联队的好运气。逃离高地后他们很快被苏军发现，苏军迅速派出坦克和摩托化步兵一路追杀。到了29日下午，山县大佐和伊势大佐发现身边只有4人了：山县联队的副联队长和旗手，以及一个传令兵和一个步兵。山县和伊势两人烧掉军旗之后，与两名军官一起选择了自杀。两名士兵守着长官的尸体挨到天黑，之后趁夜寻隙逃出了苏军的天罗地网。
停战协议签订之后的9月24日，日军收尸队终于发现山县武光大佐的尸体和被烧剩一个角的第六十四联队军旗。军旗的发现让关东军长出了一口气，这样第六十四联队就不用被撤销了。
8月30日，再次杀入重围的田中少尉竟然找到了小松原中将，还带来了荻洲立兵中将“自行突围”的命令。小松原与荻洲进行了最后一次通信联络，随后砸毁电台，烧掉了密码本。小松原还命令所有军官将各自的军衔肩章摘掉并销毁。
8月31日，日军的两个轰炸机中队向被团团围在核心的第二十三师团司令部投下了食品和大量的反坦克手雷、手榴弹、机枪弹。小松原也不愧为久经沙场的猛将，他竟然带着500名疲惫不堪的溃兵苦战两天两夜，最后连续5次用手榴弹和手雷冲锋杀开了一条血路，成功撤回了位于将军庙的第六军司令部。
在战斗中左臂被炸断的酒井大佐捡回一条命，9月12日被送往齐齐哈尔陆军医院治伤。躺在病床上的酒井大佐在获知关东军以最惨痛的失败结束了诺门坎大战之后，越想越窝囊，越想越气愤。他在15日写好了遗书，面向东方遥拜后，用仅存的独臂剖腹自杀，并因此“喜”晋陆军少将军衔。
已经失去双腿的冈本参谋长也荣幸地晋升为陆军少将，在医院里他遇上了一群要求落实伤员待遇的满洲伤兵。双方为此发生争执，一个满洲老兵竟突然拔出战刀，将冈本少将一刀砍死。第二十三师团参谋长冈本德三就此创造了一个纪录：日本历史上唯一被伪军劈死的日本将官。
幸运儿肯定还是会有的，他就是独立野战重炮兵第七联队联队长鹰司信熙大佐。虽然他的联队全军覆没，只有大佐一人孤身逃回，但由于和天皇有很远的亲戚关系，鹰司大佐只是落了个革职回国反省的处分。
姜还是老的辣，还是第七师团师团长园部和一郎中将有先见之明。派出的几个步兵联队将军旗全部留在了驻地齐齐哈尔。尽管人都留诺门坎没回来，但第七师团仍是一个建制完整的师团。园部中将也很快在第二年的3月到了中国的武汉，接任冈村宁次就任了日第十一军的第二任司令官。