體的日軍開火，缺少反坦克火力的日軍傷亡慘重。
9月11日，關東軍司令部命令停止攻勢進行戰線整頓，並決定向諾門罕前線增兵。他們從本土調來了獨立野戰重炮聯隊、從民國境內調來了反坦克速射炮中隊，這大大加強了日軍的火力，增強了日軍的反坦克能力。
除此之外日軍還派出了一支秘密部隊——石井部隊，也就是臭名昭著的731部隊。
9月13日，石井細菌部隊碇常重少佐帶領22名敢死隊員，在哈拉哈河乘2只膠皮筏順水將22.5公斤傷寒、霍亂、鼠疫、鼻疽等細菌撒入河水中，向蘇蒙軍進行細菌戰。
然而另日軍沒想到的是，蘇蒙軍沒有因這22.5公斤的細菌受到多少傷害，反倒是日軍有1340名士兵染上傷寒病、赤痢病和霍病，而播撒細菌的731部隊軍醫和敢死隊員被細菌傳染而亡命的達40多人。
9月23日，日軍在諾門罕前線各部隊經過半個月的補充和休整後，集中名兵員，82門大炮全線發動總攻擊。24日，蘇軍發動反攻，日軍退回原地。25日，關東軍司令部下達“停止進攻，構築陣地”的指示。
10月4日，日軍為實施統一指揮，在海拉爾組建第6軍（轄第23師團、第8國境警備隊等，司令為荻州立兵中將），兵力約2.5萬人。
為早日解決諾門罕地區戰事，蘇軍統帥部決定在塔木察格布拉格的第57特別軍擴編成第1集團軍，這是臨時組織的具有獨立作戰職能多兵種合成的大兵團，朱可夫被任命為集團軍司令員。