同样苏联红军的介入也激怒了日军，第二十三师团师团长小松原道太郎中将重新下令部队出动，由步兵联队长指挥，人数约2000名。目的是将哈拉哈河对岸的苏联红军击溃，但是这支部队在哈拉哈河东岸发动进攻时遭到苏联红军猛烈的炮轰，伤亡很大，因而攻击没有取得进展。
随即，苏日之间的冲突再度升级，真正的战斗是在5月10日之后爆发的。5月13日，由于日军发起进攻而重开战端。日军方面以东八百藏中佐率领的骑兵联队、两个步兵大队和一个炮兵中队编成的山县支队为主，在伪满洲国1个团以及大批空军的配合下，与外蒙古军以及新派来的以机械化部队为主的苏军对峙。
苏蒙军此时也得到了加强，与日军对峙的除了原有的部队之外，还有第11坦克旅、摩托化步兵第36师一部、蒙军骑兵第6师，另外第57特别军司令部从乌兰巴托迁到距哈拉哈河125公里的塔木察格布拉格，苏联的飞机也不断在战事地区集合，并在诺门罕地区飞行侦查，实力也不容小觑。
14日，日本方面把以步兵为中心的主力配置在苏蒙军方面，派东骑兵联队迂回到敌人侧面进攻，以断其退路。但是，苏军的坦克、炮兵的进攻异常猛烈，使日军主力陷于困境，特别是派去进攻苏军侧背的骑兵联队反被切断退路，被坦克包围歼灭。骑兵联队士兵或撞在一起倒在一处，或横卧在烧毁的汽车上活活被烧死，其惨状真是令人目不忍睹。小松原道太郎中将又派了三个炮兵中队上去，以与苏军对抗，但杯水车薪，无济于事，终于难挽败局。
三天后，日军撤离战场。这一战苏联红军与关东军“胜负各半”，但除了空军的胜利外，日本方面根本无胜利可言。陆军方面由山县武光大佐负责指挥的第64联队一部、东八百藏中佐搜索队约200人及伪满兴安骑兵第1、2、8团各一部，结果被苏蒙联军击败，日军搜索队战死115人、失踪81人，几乎全军覆没，东八百藏本人也被击毙；而日军山县部队战死151人、生死不明92人，伤亡率为20%，可以说是大败而归。
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