1941年6月，納粹德國撕毀《蘇德互不侵犯條約》，出動550萬大軍兵分三路閃擊蘇聯，蘇軍猝不及防節節潰敗。如果此時日軍再突襲遠東地區，蘇聯面對歐亞兩線作戰，豈不是雙拳難敵四手？事實上，日本曾經對蘇聯進行過軍事試探，只不過失敗了。
蘇聯扶持的外蒙古1921年宣佈獨立，1931年日本佔領東三省扶持了“偽滿洲國”，日本和蘇聯在原中國領土上產生了邊境糾紛。之後數年間，日本關東軍多次在邊境地帶挑釁，試探蘇聯和蒙古的軍事實力。1939年5月，日本、偽滿洲國與蘇聯、蒙古人民共和國最終爆發戰爭。
1939年5月28日，關東軍第64聯隊一千多人三路攻入蒙古，結果被蘇蒙聯軍擊敗，傷亡數百人。為了應對日本關東軍，蘇軍統帥部任命朱可夫為第57特別軍軍長，開始大規模集結兵力，蘇聯戰鬥機與日本展開制空權爭奪戰。由於蘇聯調來了新式戰鬥機，日軍逐漸處於下風。
1939年7月1日，日軍6000多人攻佔哈拉哈河東岸的謝爾陶拉蓋高地。朱可夫立即組織反攻，由於高地附近全是開闊地，日軍暴露在蘇軍坦克和飛機的射程內，被迫在沙地上挖掘個人掩體，在坦克面前日軍無法繼續進攻。日軍731部隊向蘇蒙聯軍展開細菌戰，向河水裡撒入鼠疫、霍亂等細菌，竟然有上千名日軍感染，死亡40多人。
7月23日，日軍在諾門罕前線集結了2.5萬人，向蘇軍發動總攻，在蘇軍的反攻下撤回。8月20日，蘇軍利用星期天日本軍官休假的時機，在凌晨集結10餘萬人發動總攻。日軍毫無準備，被蘇軍成千噸炮彈猛烈轟炸，還被蘇軍裝甲部隊合圍，但日軍仍然在陣地上與蘇軍激戰。
被轟炸11天之後，日軍彈盡糧絕，各部隊利用最後的手榴彈近戰突圍，突圍成功卻損失慘重。鑑於日軍在邊境的被動局面，日軍大本營從中國戰場調兵準備反攻蘇聯，但最後日軍放棄了繼續進攻。日本駐蘇聯大使東鄉與蘇聯外交部長莫洛托夫簽訂停戰協定，最後以日本讓步結束。
諾門罕戰役中，日蘇雙方累計投入兵力20多萬，蘇聯死亡6000餘人，日本死亡6萬餘人。不過從後來俄羅斯和日本90年代逐漸解密的檔案來看，蘇聯死亡9000多人，日本死亡7000多人。也就是蘇聯在飛機、坦克的大優勢下，戰損比日本還要嚴重，但還是艱難地贏得了戰爭。
戰後，蘇聯雖然取得了戰役的勝利，但沒有繼續擴大戰果。日本認為蘇聯在遠東地區很強，也放棄了“復仇”。在諾門罕戰役之前，日軍就北上遠東、西伯利亞，還是南下東南亞狐疑不定。戰後日本放棄了“北進”，一頭扎進了東南亞、太平洋以及珍珠港，最終迫使美國參戰。
諾門罕戰役在歷史上並不算出名，但對於二戰卻至關重要。日本因此戰的失利完全放棄對蘇聯作戰，莫斯科戰役難解難分的時候，蘇聯緊急從遠東抽調二十個亞洲師到歐洲前線，扭轉了戰局。中國抗戰最艱苦的時候，日軍與蘇軍對峙，一時無法繼續向關內增兵。最重要的就是日本被迫調轉槍口，偷襲珍珠港，將中立的美國拖下水，完美地改變了二戰格局。
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