当野战机场修建好后，苏联的战斗机便开始在空中与日军飞机展开了激烈的战斗，在战斗机的掩护下，苏联轰炸机对阿尔山、甘珠尔庙和阿木古郎附近的日军集结地进行了大量的轰炸，造成了大量的日军人员伤亡和大量物资的损毁。
六月二十日，日军第二十三师团全体出动，师团长小松原中将意气风发的带着两万人向诺门罕进发，同时，关东军司令部调第1坦克团和第2飞行师团共70辆坦克和180架飞机，支援第二十三师团进攻作战。
六月二十一日，日军第2飞行师团师团长团长嵯峨彻二中将把他的司令部从新京迁至海拉尔，和他一起到来的是4个飞行团，17个战斗轰炸、侦察机中队，准备和苏联空军好好的打上一场。
但是，六月22日，苏军出动了150架飞机空袭甘珠尔庙、阿木古郎将军庙一带的日军集结地和野战机场，日本飞机在收到苏军飞机来袭的消息后也是倾巢出动。
结果，苏军和日军的飞机在诺门罕地区上空大战了三天，日本关东军第2飞行师团损失了六十多架飞机。
此后，苏联空军的飞机不断从各处调集过来增援这边的战斗，而且苏联把很多新型的战斗机也派到了战场上，这使得日本空军逐渐丧失了空战中的主动权，处于被动挨打的地位。
六月二十七日，137架日军飞机从海拉尔机场起飞，空中的飞机编队布满海拉尔上空，之后日军机群来到苏军在达塔木察格布拉格机场的上空进行狂轰滥炸，这次轰炸也是摧毁了不少苏军的作战飞机，但是苏联的后续增援飞机很快便把这次的的损失补充了回来。
六月底的时候，关东军司令部命令第二十三师团尽快发动地面攻势，于是在七月一日，日军第二十三师团在师团长小松原中将的指挥下，向哈拉哈河西岸发起了攻击，在中午的时候，日军第二十三师团顺利攻占了谢尔陶拉盖高地。
当得知日军发动了全面进攻后，朱可夫立即就组织了150辆坦克、154辆装甲车、90门大炮和全部飞机及其它部队，分三路反攻。
由于战场周围全是开阔地，非常有利于飞机和战车作战，日军第二十三师团的部队就这么无遮无拦的全部都暴露在了苏军坦克和装甲车炮火的面前。
同时，苏军轰炸机和歼击机群也是对日军进行了轰炸和扫射，苏军的大炮更是发挥到了极致，炮弹像不要钱的一样，猛烈的轰击着日军部队。
在苏军猛烈的火力打击下，日军第二十三师团的进攻被苏军给打退了下去，日军在苏军的猛烈打击下，甚至都无法开展有效的火力对射，很多官兵只能匆忙的在沙地上挖掘个人掩体用于保命。
在日军第二十三师团还没做好防御准备的时候，苏军第11坦克旅的150辆坦克便向龟缩在沙丘掩体的日军冲了过来，这一下就把日军第二十三师团给打崩溃了，日军部队直接就在苏军坦克的攻击下溃逃了。