第四阶段
参战的外蒙古军
苏军总参谋部决定总攻时间为8月20日（星期天），因为按照惯例，日军前沿部队的军官有半数要轮流到海拉尔去休假。进攻的命令20日凌晨2点45分传达到一线连队，对面日军阵地一片沉寂，苏军反攻做到了最大的突然性。
8月20日凌晨，苏蒙军发起总攻战役。苏蒙军以3个步兵师，2个骑兵师，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。日军在阵地上和苏军激战。构筑在蒙古旷野上的土木机构工事很快被大炮轰成平地，日军就依托单兵用工兵铁锹挖成的简易单兵掩体作战。
8月24日，日军发起了反击，3000名没有炮火掩护的日本步兵被阻止在铁丝网和野战工事以及大炮面前，随后苏军坦克开始出击，日军后退。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。2000多名第23师团士兵用手榴弹近战突围。日军各部队亦随之突围。
8月29日，鉴于日军在诺门坎地区的不利情况，日军大本营决定在我国关内战场调集：第5师团（驻青岛），第14师团（驻河南开封、新乡），野战重炮兵第9、第10联队，速射炮9个中队，16个野战高炮队，1个飞行战队，22个汽车中队到达我国东北，以增强诺门坎地区。
同时关东军司令部调集第2师团10000人、第4师团9800人、第7师团8000人、高炮部队和国境守备队主力向诺门坎前进，企图战胜苏军。但在攻势发起前的9月3日被日军大本营阻止。
9月9日，东乡驻苏大使向苏联提出诺门坎停战要求。
9月15日，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，双方于9月16日凌晨2时停止一切实际军事行动。
战争结束。后续资料如下：
据日本学者林三朗《关东军与苏联远东军》记载，日军先后投入兵力为15975人，损失12220人，其中战死4786人、受伤5455人、失踪639人、患病1340人，损失率达80%。
据俄罗斯学者鲍利斯·斯拉布斯基《通向日苏战争之路——从诺门坎到占领千岛》记载，如按照日本方面正式发表，日军投入诺门坎战斗为76000人，其中战死、伤病达18000人；但按照苏联方面资料统计，日军仅战死至少18300人、被俘虏为464人。
据中国学者厉春鹏等人著《诺门罕战争》记载，根据参战的日军第6军军医部编制的诺门坎事件日军伤亡调查表，日军死亡为7696人、负伤为8647人、失踪为1021人、共计为17364人。据1966年10月12日，日本靖国神社举行诺门坎事件战役慰灵祭的报道中，阵亡日军为18000人。该作者认为，诺门坎事件中日军各种伤亡人数应该超过4万。[3]
据《第二次世界大战百科词典》记载，诺门罕事件中，苏蒙军伤亡1.85万多人，日军死伤和被俘6.1万多人。[2]
可以看出，诺门坎事件中日军的损失是非常惨重的，对日本影响是巨大的，甚至到第二次世界大战后都难以忘怀。
相对于第二次世界大战其它战役，诺门罕是一场不为经传的战事。但是它对二次大战的局势发展却有非常深远的影响。
战事发生前，日本东京当局仍为“北进”及“南进”的策略而争论。北进计划是以陆军向苏联西伯利亚发动攻势，目标是进攻至贝加尔湖一带。而南进计划则是以海军为主，夺取东南亚资源（特别是荷属印度尼西亚的石油）。诺门罕战役的失败，说明苏联红军的实力对日本陆军来说仍然是相当强大。在一定程度上，诺门罕战役导致日本改为倾向采用南进的战略目标，最终引致两年后日本偷袭珍珠港、向美国宣战和最后的战败。
诺门罕战役中，朱可夫指挥装甲部队以机动战首获大捷，获得“苏联英雄”称号的嘉奖。苏联政府得到包括间谍理查德·左尔格的情报得知日方的南进，因此应该不会即时对西伯利亚发动另一次攻势。苏军于是被调往欧洲；在1941年12月，朱可夫再指挥西伯利亚部队在莫斯科保卫战中成功发动反攻击败德军。
从政治意义上看，此战不仅沉重打击了日本****二战初期嚣张的侵略气焰，而且使日本被迫将“北进”侵苏的国策改为“南下”袭美，苏联从而避免了与德、日两线作战的不利局面，可以集中力量打击德国***。在莫斯科战役中，苏、德双方当时拼得油尽灯枯，幸亏关键时刻苏联抽空了远东边境的二十个亚洲师调往欧洲，才给了德军致命一击，扭转了欧洲战场乃至世界反***战场的形势，没有诺门罕之战，斯大林绝不敢冒此奇险。另外，诺门罕战争期间，正值中国抗战进入最艰苦的时期，此战使日军向关内增兵计划一时无法实现，有力支援了中国人民抗击日本帝国主义的侵略。诺门罕战争后，一贯骄狂的日军对苏军产生了心理障碍，日本基本死了与苏联再战之心，东京最终决定调转枪口袭击英美，不久日军便奇袭珍珠港，将隔岸观火的美国拖下了水，使力量对比发生了根本变化，最终日本兵败亚太战场。
从军事角度上看，苏联通过此战检验了陆、空军的各种新装备，锻炼了“大清洗”后新提拔的年轻军官，也提升了曾一蹶不振的士气。特别是发掘了一代名将朱可夫，为即将到来的卫国战争储备好了帅才（朱可夫后来参与指挥了苏德战场几乎所有重大战役，每每都能化险为夷，被誉为“苏德战场上的消防队员”，而朱可夫的成名之战就是诺门罕战争）。苏军还在此役中首次实施了空降作战，首次使用了“进攻防御”和“夜间强光照明”的战术，首次采取了电子干扰战和心理战，后勤部门还创造了超远距离连续补给的世界奇迹。所有这一切都在后来的卫国战争中得以广泛采用，给德国***以沉重打击。
在这次战役中，再次充分暴露了日军各军兵种之间缺乏协调作战的致命处，日军第6集团军司令官狄州立冰将军曾担任日本驻苏联武官，他却告诉部下：“此时的苏联红军跟日俄战争时的俄军没什么区别”。正是在日军高级军官这种片面渲染下日军根本不把苏联红军放在眼里，这也导致了他们最后的惨败。反观苏联红军，虽然此时苏联国内的“大清洗”尚未完全结束，苏联红军的战斗力已受到严重削弱，但对日军来说还是有很强的战斗力的。苏军在此次战役中各军兵种之间的密切配合让他们重创骄横的日军，使得日本国内狂热的对苏战争情绪被泼了冷水，促使他们立刻冷静下来。他们认为此时苏联红军的战斗力要远强于日俄战争时的沙俄军队，在对美英开战未取得胜利时不应与苏联交手。最后，日本和苏联签定了停战协定，日本决定全力以赴对付南洋的美英等国。[4]
对日本影响
诺门坎的惨败使日本真正认识到苏军实力，对此后的日苏两国关系产生了重大影响。日本不得不放弃对苏强硬政策，而且在苏德战争中始终不敢轻易参加对苏作战[3]，进而促使日军不得不放弃“北进政策”而选择“南进政策”。日本史学家称这场战争为“日本陆军史上最大的一次败仗”。
这还是蒙古国历史上重要的战役之一，蒙古国为战争爆发70周年作纪念活动。
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