不论兵力多寡，在冲突过程中必求胜利。现在就是这种状况啊，就是说自己是可以做主要不要狠狠打一战。日军内部向来有以下克上的传统，上级从战略上考虑，觉得不能干的事，下级从升迁立功方面考虑，要把事搞大，再由宣传舆论一吵，最后指挥的军官还加官进爵。“九一八”事变后，石原莞尔升官就是例子。小松原决定，派出师团的绝对主力、山县武光大佐任联队长的第六十四步兵联队和东八百藏骑兵联队一起出击，一举消灭哈拉哈河东岸的苏联红军和外蒙古联军。
其实苏军高层早就得知诺门坎出现的小战斗，他们在犹豫要不要真的打一战，但是必要的防备还是要做的，看看事情的发展吧。莫斯科下令距离战场最近的第十一坦克旅、摩托化步兵第三十六师秘密开拔到哈拉哈河地区，第五十七特别军司令部也前移到距哈拉哈河125公里的塔木察格布拉格。前线兵力加强到三千人左右。这些都是日军不掌握的，他们还是相信以前的侦察：苏军只有不到四百人。
所以，他们这一次派出的两个联队共2300人是足够多的了，日军把攻击日期选在5月28日；打法是：山县武光大佐率领主力部队实施正面进攻，东八百藏中佐率领骑兵中队和战车中队进行侧后包抄。要干一仗的态势已经非常明显，苏联远东军的空军部队决定出去看看，他们在5月22日出动150架飞机来到诺门坎，打算扔几颗炸弹玩玩，没想到日军关东军的空军更猛，他们的飞行员基本都身经百战，早就憋得不耐烦了，加上日军的飞机明显比苏军部老旧的伊尔15先进，一顿空战，苏军的飞机全部报销。
这更加让小松原放心，他确信马上开始的战斗将是一场轻松愉快的胜利。日军发现，不是那么回事1939年5月27日午夜，进攻的日军就迫不及待地出发了，东八百藏中佐率领着他的一个骑兵中队和装甲车中队开往哈拉哈河，执行迂回包抄任务。开始还比较顺利，没有什么能挡得住他的，当他突进到苏军核心阵地时，一下子惊呆了，面前是一堆堆苏军的坦克和一排排的大炮，而苏军的坦克都特别厚实，和他们一比，日军的坦克就如同纸糊的一样。
东八百藏后悔了，但是都到这个地步，不打也不行，他硬着头皮发起了进攻。苏军的大炮和坦克一起开火，不一会工夫，日军的坦克全部成了废铁，骑兵的马要么被打死，要么被惊跑，到第二天上午， 东八百藏的联队差不多1000人，只剩下不到50人。午饭时间，这50人也没有饭吃，他们在东八百藏的带领下发起了最后一次冲锋，结果是全军覆没，东八百藏阵亡。
山县武光的联队也好不到哪里去，他们5月23日清晨出发，到28日才来到预定阵地，抢占了一个地图上标为“742”的小高地，还没有喘口气，就招来一顿炮击，苏军的所有火炮都对着这个小高地轰。这个高地还一点水都没有，可怜的山县联队士兵，一个个渴得嗓子冒烟，还不停的挨炸。5月29日上午，终于看见了苏军和外蒙骑兵，两方开打。
山县武光苦恼地发现，这哪里是400人，十倍也不止啊。到5月31日上午，小松原电令山县武光撤回，山县武光赶紧乘着黑夜带着残部跑了回来。出发时还是浩浩荡荡的1600多人，回来是连伤病一共不到400。三、为了大干一场，日军关东军亮出来家底，要毕其功于一役吃了这么大一个败仗，小松原中将简直气得要死，他给关东军的报告主要意思就是自己轻敌了，想再打一次扳回来。
关东军司令植田谦吉大将也觉得是轻敌造成的，一开始他也没太当回事。虽然败了，好在损失不大，再打回来就是。这一次，他要好好地排兵布阵，一举拿下胜利。考虑到小松原不很服气，为了照顾小松原的面子，也为了利用小松原不服气的劲头，植田还是以小松原的第二十三师团为主进行下一步兵力的调遣。6月20日，他下令：第二十三师团和第七师团第二十六联队、第二十八联队一个加强大队调往诺门坎一线；第二飞行集团前出海拉尔一线；驻扎在公主岭的第一战车团调往诺门坎一线，以对付苏联的装甲部队。
此时在诺门坎前线的日军兵力为：四个步兵联队外加一个加强大队、东八百藏骑兵联队剩下的大半个骑兵联队；两个坦克联队；两个炮兵联队；两个工兵联队；一个汽车联队；一个飞行集团。总计：步兵36000人、坦克182辆、装甲车51辆、大炮112门、汽车400辆、飞机180架。可以说除了步兵，关东军的其他家底基本都在这里了。
