Штаб Квантунской Армии приказал Комацубаре продолжать подготовку обороны и быть готовым к началу советского наступления 14 или 15 августа. Кроме этого командование Квантунской Армии приняло еще одну необычную оборонительную меру. В составе Квантунской Армии было секретное подразделение под названием "Отряд 731". Официальным его обозначением было "Управление по водоснабжению и профилактике эпидемических заболеваний Квантунской Армии". Фактически же "Отряд 731" специализировался на разработке биологического оружия. Его основные производственные комплексы и лаборатории - включая печально известный тюремный комплекс, в котором проводились ужасные эксперименты на людях (в основном китайцах), располагались в Харбине. Во время затишья в районе боев у Номонхана в начале августа, подразделение "Отряда 731" заразило реку Халха холерными бактериями. В советских или японских источниках нет сведений, позволяющих предположить, что эта попытка применить биологическое оружие была хотя бы в какой-то степени эффективной. В августе 1945 в последние дни войны "Отряд 731" был расформирован, его лаборатории и производственные комплексы в Харбине взорваны, а большинство его сотрудников бежали в Японию, но перед этим они задушили газом 150 последних уцелевших подопытных людей в тюрьме и сожгли их трупы. Командир "Отряда 731" генерал-лейтенант Исии Сиро приказал своим подчиненным хранить в тайне историю отряда, угрожая возмездием всем, кто проболтается. Исии и его коллеги избежали трибунала в Токио, передав американским военным властям результаты своих экспериментов в обмен на свободу.
Прилагаемые японской 6-й армией усилия по строительству укреплений были явно недостаточными. Отчасти этот недостаток энтузиазма объяснялся нехваткой стройматериалов. Все, даже дерево, приходилось везти издалека. Кроме того, японская военная доктрина негативно относилась к концепции статичной обороны, предпочитая наступление практически при любых обстоятельствах. Таким образом, Квантунская Армия ждала дальнейшего развития событий.
Тем временем Жуков ускорил подготовку к наступлению. Из-за бдительности японских солдат, а также из-за отсутствия перебежчиков и мирного населения в районе боев советской разведке было трудно получить подробную информацию о позициях японцев в глубину. Разведка смогла установить только положение передовых позиций японской пехоты и ближайших позиций их минометов и артиллерии. Велась аэрофотосъемка, но вследствие искусного использования японцами маскировки и макетов, польза от нее была ограниченной. Новый командир 149-го мотострелкового полка (занявший место погибшего Ремизова) лично возглавил проведение разведки. Во главе группы разведчиков он по ночам несколько раз проникал в тыл японских войск, и доставил информацию, в которой нуждался Жуков - северный и южный фланги Комацубары прикрывала маньчжурская кавалерия, и у японцев не было мобильных резервов. Жуков в своих мемуарах ошибочно приписывает эту заслугу Ремизову, погибшему в июле.
С этой информацией Жуков разработал план наступления, используя слабости противника. План был несложным. Главные силы японцев были сосредоточены в нескольких милях к востоку от Халхи, на обоих берегах небольшой речки Хольстен. Японской пехоте не хватало мобильности и поддержки бронетехники, а их фланги прикрывали слабые маньчжурские части. Жуков решил разделить свои силы на три ударных группировки. Центральная группа под его прямым командованием должна была вести фронтальное наступление и связать боем главные силы японцев. Одновременно северная и южная ударные группы, в состав которых войдет большая часть бронетехники, должны обойти фланги японцев и окружить противника, после чего уничтожить его объединенными силами всех трех групп. Успех плана зависел от достижения тактической внезапности и превосходства в силах на направлениях главных ударов. Наступление, получившее "зеленый свет" из Москвы, должно было начаться во второй половине августа.