为了迷惑敌人，朱可夫在实施反攻前成功地进行了战役欺骗。
比如，为了实现坦克攻击的突然性，他将几辆坦克卸去了消音器，然后沿前沿阵地不断地来回行驶，以此让日军对苏军的坦克调动习以为常。
再比如，为了隐蔽反攻企图，朱可夫把几部功率猛烈的音响装置搬到前沿，模仿打桩机的声音，逼真地造成大规模修筑防御工事的假象，让日军误以为苏军不是想反攻，而是要实施防御。
这一切战役欺骗都取得了成功，日军没有料到苏军真的发动了反攻，他们的恶梦来了！
8月20日5时45分，朱可夫指挥苏蒙联军向当面日军发起猛烈的反攻。150架轰炸机、几百门火炮向日军前沿阵地、纵深炮兵阵地及部队集结地域实施了猛烈的轰炸和炮击。
睡梦中的日军非死即伤，侥幸活命者也被眼前这一切惊呆了。
炮弹遮天盖地般地落在我们的前前后后，非常的可怕，日军观察哨想尽一切办法找寻苏军的炮兵阵地，但都失败了。因为苏军的轰炸机在轰炸，歼击机在扫射。
此战，苏联人全线获胜！
随后，朱可夫下令全线实施进攻，日军狼狈溃逃。
在苏军发起大规模的迂回攻击后不久，23师团严令部队依托阵地进行固守，并于8月20日夜间，即着手组织对苏蒙军的反击。
就在23师团于8月24日进行反击时，苏蒙军的坦克部队于当天从南北两路在日军防守阵地的后方——诺门罕地区汇合，接着就是分割、围歼。
首先遭到围歼的，是最北面的搜索队。苏蒙军以坦克群、密集的炮火、空中轰炸攻向敌这7个中队的阵地。
火力最密集的时候，每分钟约有200发炮弹在搜索队阵地上爆炸，所有的工事几乎都被炸平，因前几天大雨，战沟里很潮湿，但敌伤员就在那里进行包扎，弹药也放入了这些壕内。
不久，这些壕沟都被炸平，伤员，弹药也被埋入。接着坦克部队在敌阵地上来回冲杀，之后搜索队尚剩不足三分之一的人员，被迫在无命令的情况下，放弃了阵地。
日军的阵地固守部队，满以为反击部队行动之后，局势就会好转，他们将由守势转为进攻。
可是情况正与他们的预料相反，8月26日，苏蒙军紧缩包围圈时，将第26联队的第1大队歼灭，其大队长生田准三少佐被击毙，10公分口径、15公分口径的加农炮部队也被消灭，武器全部丧失。
穆棱重炮兵联队长染谷义雄中佐于26日自杀，紧接着野战重炮兵第1联队的代理联队长梅田恭三少佐，因感到失败的责任重大，于27日自杀。
第71联队，在26日战斗最激烈时伤亡很大，其联队长森田彻大佐亦于午后被击毙。
值得一提的是，森田彻是“七·七事变”时驻于北平城内的驻屯步兵第1联队附，是参与该事变的策划者之一。
而后苏蒙军几乎全部占领了日军的阵地，消灭了大部分日军。此时被围在原阵地上的敌步兵第64联队、野炮第13联队，因连续作战人员已所剩无几，但他们仍在作最后的顽抗。
从朱可夫发动总攻，短短不到十天的时间，日军在苏军诸兵种的联合作战中被包围，关东军的失败已成定局。
八月三十日，关东军司令部在万般无奈之下接到东京大本营“停止攻势”的命令。
更让日军高层感到愤怒和绝望的是，在关东军败局已定之时，绝望中的日本人又得到一个坏消息：苏联与日本的盟友德国签订了《苏德互不侵犯条约》。
日本政府和军方本以为由德国在西面牵制，苏联无法于亚洲和欧洲两面作战，但现在德国却把日本出卖了。
之前为了与德国建立军事同盟，日本不惜与德国商谈七十多次，德国却始终不给日本人以明确答复。