Штаб Квантунской Армии требовал проявить тактическую сдержанность, чтобы достигнуть более решительного стратегического результата. Однако Комацубара уже направил приказ полковнику Ямагате начать атаку. Связавшись с Синцзином, Комацубара сообщил, что отменить приказ теперь означает "потерять лицо" - он явно был возмущен вмешательством штаба Квантунской Армии в командование его дивизией не меньше, чем офицеры штаба Квантунской Армии - вмешательством из Токио. Однако Комацубара добавил, что "из уважения к мнению Квантунской Армии " он отложит атаку на несколько дней. Атака была отложена на 27-28 мая.
Советская авиация, поддерживавшая 57-й корпус, выполнила несколько безуспешных боевых вылетов над рекой Халха 17-21 мая. Неопытные советские пилоты, летавшие на устаревших бипланах И-15, действовали плохо. Не менее 9 (и возможно до 17) советских истребителей и разведывательных самолетов были сбиты. Нарком обороны Ворошилов даже приказал приостановить действия авиации. Это свидетельствовало о тактической внезапности, достигнутой японцами.
Полковник Ямагата сосредоточил части своего отряда в городке Канчжурмяо, расположенном примерно в 40 милях к северу от Номонхана, и оттуда направил разведывательные патрули в район Номонхана. Его разведчики вскоре сообщили, что противник построил мост через реку Халха недалеко от того места, где в нее вливается речка Хольстен. К востоку от Халхи были обнаружены две смешанные группы советско-монгольских войск (примерно по 200 человек каждая) и небольшая группа монгольских солдат менее чем в миле к западу от Номонхана. Ямагата решил поймать эти части противника к востоку от Халхи и уничтожить их там. По его плану отряд Адзумы должен был продвинуться на юг вдоль восточного берега Халхи прямо к мосту, отрезав путь отступления противнику. Четыре пехотных роты Ямагаты и маньчжурские войска атакуют с запада по разным осям, гоня противника к реке и ожидавшему его там отряду Адзумы. Противник будет зажат между двумя японскими отрядами к востоку от Халхи и уничтожен. Кроме того, Ямагата приказал после разгрома противника к востоку от Халхи как можно быстрее уничтожить все вражеские силы и на западном берегу - бесспорно монгольской территории. Войск, имевшихся для реализации этого сложного плана было бы более чем достаточно для разгрома монгольской кавалерии, которая действовала в этом районе в первые дни инцидента. Однако с удивительной недальновидностью ни Комацубара, ни Ямагата не приняли в расчет возможность того, что на помощь монголам могут прийти советские части из района Тамцаг-Булака.
В предрассветные часы 28 мая отряд Ямагаты покинул Канчжурмяо и направился к Номонхану. Отряд Адзумы отделился от главных сил и направился на юг, к мосту в районе слияния Халхи и Хольстена, чтобы блокировать предполагаемый путь отступления противника. Подполковник Адзума не знал, что мост обороняют не только монгольские кавалеристы но еще и советская пехотная рота, саперы, бронеавтомобили и батарея 76-мм самоходных орудий СУ-12. На рассвете советско-монгольские войска обнаружили приближавшийся отряд Адзумы, но не знали о местонахождении главных сил отряда Ямагаты. Элемент внезапности в предстоящем бою повлияет на обе стороны.
Ядром советско-монгольских сил у Номонхана был пехотный батальон майора Быкова (три роты моторизованной пехоты), усиленный ротой бронеавтомобилей БА-6 (16 машин), саперной ротой, батареей из четырех 76-мм самоходных орудий СУ-12 и разведывательным взводом бронеавтомобилей (еще 5 машин), всего около 1000 человек. Монгольская 6-я кавалерийская дивизия полковника Шоаайбуу (около 1250 человек) состояла из двух небольших по численности кавалерийских полков, батареи 76-мм пушек, взвода бронеавтомобилей и учебной роты. Майор Быков расположил свои подразделения по оси с севера на юг, две его пехотные роты защищали северный и южный фланги, а монгольская кавалерия находилась в центре - странное расположение, так как кавалерию обычно располагали на флангах. Эти войска были растянуты по десятимильному фронту примерно параллельному реке Халха, но на восточном ее берегу, лишь в миле к западу от Номонхана. Быков оставил одну пехотную роту, саперную роту и артиллерию в резерве у моста, но на западном берегу Халхи. Монгольская батарея из четырех 76-мм пушек также осталась на западном берегу, так как пушки сильно увязали в песке на песчаном восточном берегу.