В штабе Квантунской армии тоже был разработан план новой масштабной операции, названной «Второй период номонханского инцидента». Японцы собирались прорвать оборону Красной армии. В начале июля они перешли в наступление, захватили город Баян-Цаган, расположенный в сорока километрах от границы, начали сосредоточивать там свои основные силы. Вокруг города развернулись ожесточенные сражения. В результате японские войска оставили его и начали отступление.
В июле Пятьдесят седьмой особый корпус был развернут в первую фронтовую группу под командованием командарма второго ранга Г.М. Штерна.
В середине июля японцы вновь приступили к активным действиям. Но фронтовая группа, получившая подкрепление, отбросила их и восстановила линию границы на восточном берегу реки Халхин-Гол.
20 августа советско-монгольские войска перешли в наступление, что стало полной неожиданностью для японского командования. Артиллерийская подготовка продолжалась более шести часов. В это же время советская авиация проводила массированные налеты на позиции противника.
Японцы сражались упорно, и советскому командованию пришлось вводить в бой резервную Девятую мотоброневую бригаду. Командование противника не смогло определить направление главного удара. В результате 26 августа части и соединения его Шестой армии были окружены. После этого началось ее уничтожение по частям.
Японское правительство через посла в Москве обратилось к советской стороне с просьбой о прекращении боевых действий на монгольско-маньчжурской границе. 15 сентября 1939 года было подписано соответствующее соглашение между Советским Союзом, МНР и Японией.
Победа Красной армии на Халхин-Голе стала одной из главных причин отказа Японии от нападения на СССР во время Великой Отечественной войны. Это было, пожалуй, главным достижением советского командования в конфликте у Халхин-Гола.