第二十三师团的进攻失败后，日本关东军司令部也是命令第二十三师团停止攻势，进行战线整顿，同时决定向诺门罕前线增兵。
日本关东军司令部针对苏军的火力配置，也是增派了独立野战重炮联队，针对苏军的坦克装甲力量，从奉天、北安、齐齐哈尔等地增调了反坦克速射炮中队，并以最快的速度给第二十三师团补充武器和兵员。
日本关东军不但加强正面战场上的作战部队实力，同时也是指示臭名昭着的731部队在诺门罕地区的细菌战。
731部队碇常重少佐受命带领二十二名敢死队员，在哈拉哈河乘两只胶皮筏顺水将22.5公斤伤寒、霍乱、鼠疫、鼻疽等细菌撒入河水中，向苏蒙联军进行细菌战。
但是，这次731部队的细菌战行动，让日军自身以一千三百四十名官兵染上伤寒病、赤痢病和霍病，并且731部队自己的军医和敢死队员，被细菌传染而死亡的就有四十多人，可谓是让人啼笑皆非。
日本关东军在诺门罕前线的各部队经过了半个月的补充和休整后，便迫不及待的向对面的苏军再次发起了全线总攻击。
结果，日军的这次全线攻击，在苏军的强大火力下再次被无情的打退了回去，日军只能是再次退回原地休整，并向关东军司令部发出了求援电报，而关东军司令部则是给部队下达了“停止进攻，构筑阵地”的指示。
为了能尽快解决诺门罕地区这边的战事，苏联军事统帅部决定将在塔木察格布拉格的第57特别军扩编成第1集团军，并任命朱可夫为集团军司令员，这支部队属于临时编组的具有独立作战职能的多兵种合成的大兵团。
苏军集结了第1集团军所辖的三个步兵师，即第57师、第82师、第152师、摩托化第36师，机械化第5旅，装甲第7旅、第8旅、第9旅，坦克第6旅、第7旅、第11旅，空降第212旅、机枪第5旅、炮兵第185团，反坦克炮第37、85营，第63、66、150防空营及外蒙骑兵第6师、骑兵第8师等部队，共计机械化大军10万余人，并集结了498辆坦克、346辆装甲车，542门大炮，515架飞机。
同时，苏联在日军休整的这些时间内，利用铁路昼夜不停的运送来吨炮弹，6500吨炸弹，7000吨燃料，4000吨粮食和4000吨物资、3000辆载重汽车，用以保障大军的作战需要。
在一切准备就绪后，苏军总参谋部决定将对日军的总攻时间为8月20日，因为这一天是星期天，按照日军的惯例，这一天前沿部队的军官有半数要轮流到海拉尔去休假，这就让苏军有了可乘之机。
为了防止进攻计划的保密性，苏军的进攻命令直到20日凌晨2点45分才统一传达到一线作战部队，而苏军对面的日军阵地还是一片的沉寂，完全没有发觉苏军即将开始的进攻，这让苏军的这次进攻达到了最大的突然性。