因为中国高层表明了立场和态度，日本关东军迅速采取了新的部属，原本驻扎在辽宁用于防备南京军的第9、第18师团都抽调了一个旅团星夜兼程地赶往黑龙江省参战，原本驻扎在吉林省的第6师团、原本驻扎在朝鲜半岛的第5师团也都抽调了一个师团火速开赴向黑龙江省前线。日本国内新建3个师团，但还没有得到德中两国的批准，不能前去东北参战。
黑龙江省西部的荒原上，炮火冲天、战云如海。
正如南京军高层预测的那样，苏军（和伪蒙军）虽然在实力上占据极大优势，在战局整体上呈现泰山压顶之势，但打得其实并不顺，遭到了日军（和伪满军）的顽强抵抗。开战初期，苏军确实在诺门罕一带的野地上包围了日军第4师团第7旅团，但日军完全没有惧色，硬生生地绷住了阵地，并且在天黑后从师团本部开来的战车联队和骑兵联队的接应下冲出了苏军的包围圈。第4师团师团长泽田茂中将十分沉着冷静，他判断出，苏军在人数上大大地超出日军，在机械化水平上也比日军高出很多，因此在野地上交战不利于日军，因此他决定把部队撤到城镇里展开抵抗，稳住阵脚，等后续部队赶来后再展开反击，根据他的火速调遣，伤亡很大的第7旅团被撤到交战地域里的第二个城市呼伦贝尔，参战较晚、基本上还是齐装满员的第32旅团则被顶在交战地域里的第一个城市满洲里（满洲里是伪满伪蒙“两国”的边界城市），同时出动战车联队和骑兵联队，在苏军侧翼展开大幅度的袭扰，牵制苏军兵力。事实证明了，泽田中将的部属是十分正确的，满洲里虽然是一个只有五万余人口的中小城镇，但第32旅团的一万余日军硬是靠着这座中小城镇的建筑物顶住了人数几倍于自身的苏军的猛烈攻击。苏军的强大炮火几乎把满洲里夷为平地，当数百辆苏军坦克、装甲车席卷而来时，日军使用反坦克炮、火炮（包括十多门德国的八八炮）、坦克（包括一部分德国坦克）以及雨点般的燃烧**把苏军坦克群装甲车群炸成漫山遍野的废铁火球。苏军反复地冲杀了两天两夜，始终无法攻克满洲里，战场上，日军甚至还普遍地使用南京军的飞雷炮，轰得苏军人仰马翻，苏军前敌总指挥朱可夫不得不分出一部分部队包围并继续攻击满洲里，主力继续东进，冲向呼伦贝尔，结果又遭到日军第7旅团同样顽强无比的抵抗，而与此同时，日军第2师团第3旅团已经赶来参战，并且带来一个重炮联队、一个战车联队、一个骑兵联队，重炮联队极大地加强了日军的火力，第2师团的战车联队、骑兵联队则与第4师团的战车联队、骑兵联队合兵一处，凶猛地冲杀向苏军的侧翼部队，给苏军造成极大损失并牵制住苏军大批兵力，使得苏军对呼伦贝尔的攻击同样陷入裹足不前。
攻势受挫的苏军不得不改变战术，集中力量围攻在苏军后方让苏军如鲠在喉的满洲里，摆出要全歼日军第32旅团的态势。日军高层考虑到满洲里孤悬在外，等苏军后续更多部队抵达时，满洲里的第32旅团确实凶多吉少，再加上第32旅团死守满洲里、拖延时间的目的已经达到，所以调遣战车部队和骑兵部队冲击苏军包围圈，救出了第32旅团，满洲里随即被苏军攻占，这是苏军在此战中攻占的第一个中国（伪满洲国）城市，不过，苏军为了攻占这座中小城镇，足足死伤了一万两千余人，日军伤亡一万余，比苏军略少，并且摧毁了大批苏军坦克和装甲车。
拿下满洲里后，苏军重整旗鼓，准备与日军决战于呼伦贝尔，在呼伦贝尔战场上一举歼灭日军主力，而日军这边也在积极地调兵遣将，原本在辽宁的第9、第18师团、原本在吉林的第6师团、原本在朝鲜的第5师团都抽调了一个旅团以及师团的重炮联队、战车联队、骑兵联队奔赴前线参战，同时，关东军总部为加强前线日军的炮火，调拨5个独立重炮联队、独立炮兵联队前去参战（中日停战并联盟后，根据协议，日本陆军不可以在规定外建立旅团、师团级部队，但不限于联队，因此日本陆军钻空子，额外地建立十多个独立重炮联队、独立炮兵联队以维持日军的炮火力量，毕竟日军基本上没把火炮转让给中队，所以日军现有火炮数量对于日本陆军现有规模是十分充足的），不止如此，伪满洲国政府根据关东军总部要求，紧急调动伪满军参加这场“抵御苏俄、保家卫国”的战争（客观上讲，伪满军跟打仗时确实士气不高，但跟苏军打仗时还是比较积极的，因为他们此举确实是“保家卫国”，既是保卫伪满洲国，也是间接地保卫中国），并且扩建伪满军（联盟协议里，中国政府没有不允许日本人扩建伪满军的要求，因为这是没必要的，日本人把伪满军扩建得太多，就等于给他们自己埋下不定时炸弹），另外，关东军总部启动了“后备军制度”，此举正如南京军高层预测的那样，日军在东北境内设立了很多秘密军械库，储备了大量的日本陆军在裁军后多余出来的武器装备，一旦战事爆发，立刻武装东北境内的日本男性青壮年侨