5个装甲旅，1个机枪旅，1个空降旅以及大量的飞机、大炮，开始举行大规模的反攻。日军虽然1辆坦克也没有，被苏军成千吨炮弹猛烈轰炸，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。
    战斗到8月26日，日军第23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23师团损失惨重。此役，苏军重创重日军第23师团搜索队，全歼第7师团第26联队第1大队，日军第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和炮兵第13联队长伊势高秀大佐均被击毙，23师团第71联队长森田彻大佐亦被击毙，日军仅有的22门加农炮全部丧失。
    8月31日，在被上万吨炮弹轰击第11天后，弹尽粮绝的日军第23师团决定突围。2ooo多名第23师团士兵用手榴弹近战杀出一条路，突出重围，日军各部队亦随之突围。
    鉴于打败苏联已经没有希望，日本东乡驻苏大使向苏联提出诺门坎停战要求。随后，日本驻苏大使东乡与苏联外交部长莫洛托夫签订停战协定。而诺门罕之战，历时135天。双方投入战场兵员2o余万人，大炮5oo余门，飞机9oo架，坦克、装甲车上千辆，死亡6
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