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，苏军全歼日军第师团搜索队，日军第师团第步兵旅团第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、第工兵联队、第运输联队伤亡过半。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、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
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