В конце июля советское командование начало разрабатывать план наступательной операции, которая должна была закончиться полным разгромом японской группировки. Замысел состоял в том, чтобы, сковав противника с фронта, ударами по флангам окружить и уничтожить его между рекой Халхин-Гол и монголо-маньчжурской границей — И.В. Сталин категорически запретил переносить боевые действия на сопредельную территорию. Расчет строился на внезапности и отсутствии у неприятеля танковых и механизированных резервов для нанесения контрударов. Главная роль отводилась мотоброневым бригадам. Советские клинья должны были сомкнуться в районе Номон-Хана. Для проведения операции создавались три группы войск: южная, центральная и северная.
Подготовка операции проводилась буквально «по учебнику». Серьезное внимание было уделено организации централизованного управления, созданию группировки артиллерии и правильному распределению огневых задач. Были созданы артиллерийские группы поддержки пехоты (ПП) и артиллерийские группы дальнего действия (ДД).
Южная группа под командованием полковника М.И. Потапова действовала в составе 57-й стрелковой дивизии, 8-й мотоброневой бригады, 6-й танковой бригады, 8-й кавалерийской дивизии МНРА, дивизиона СУ-12, стрелково-пулеметного батальона 11-й танковой бригады, 37-го противотанкового дивизиона и роты танков ХТ-26. В артиллерийскую группу ПП входили 57-й артиллерийский и 57-й гаубичный артполки — всего 5 дивизионов, группа АДД состояла из 1-го дивизиона 185-го артполка РГК.
В центральной группе войск, которая должна была сковать японские войска огнем на всю глубину и не дать им возможности маневрировать к флангам, были созданы две артиллерийские группы ПП: группа поддержки пехоты 82-й стрелковой дивизии в составе 82-го артиллерийского полка и артиллерийского дивизиона 5-й стрелково-пулеметной бригады и группа поддержки пехоты 36-й мотострелковой дивизии в составе 175-го артиллерийского полка; всего в двух группах было 7 артиллерийских дивизионов. В состав группы АДД входили 2-й и 3-й дивизионы 185-го артиллерийского полка РГК, 1-й дивизион 126-го артиллерийского полка и отдельная 122-мм пушечная дальнобойная батарея.
Северная группа, которой командовал полковник И.П. Алексеенко, объединяла 7-ю мотоброневую бригаду, 601-й стрелковый полк 82-й стрелковой дивизии, два танковых батальона 11-й танковой бригады, 87-й противотанковый дивизион и 6-ю кавалерийскую дивизию МНРА. Непосредственную поддержку должен был осуществлять 82-й гаубичный артиллерийский полк.
Начальникам артиллерии 57-й, 82-й стрелковых и 36-й мотострелковой дивизий было приказано выделить по одной 76-мм батарее на каждый стрелковый полк для сопровождения пехоты огнем и колесами.
Артиллерийская подготовка предусматривалась продолжительностью 2 часа 45 минут; в последние 15 минут вся артиллерия должна была произвести мощный огневой налет по переднему краю обороны противника.
Артиллерийские группы поддержки пехоты должны были уничтожить и подавить огневые средства противника на переднем крае и в глубине обороны, воспрепятствовать проведению противником контратаки, сопровождать огнем наступление пехоты и танков. Артиллерийским группам дальнего действия были поставлены задачи подавления японской артиллерии; при этом особое внимание обращалось на подавление зенитных батарей противника, которые могли нанести урон нашей авиации. Кроме того, группы ДД должны были подавить резервы противника и воспрепятствовать подходу резервов из районов Номон-Хан-Бурд-Обо, Джинджин-Суме и озера Яньху.
В резерве 1-й армейской группы находились 212-я авиадесантная, 9-я мотоброневая бригады, два стрелково-пулеметных батальона и танковый батальон 6-й танковой бригады.
Начало наступления было назначено на 20 августа.
В ходе подготовки операции штаб 1-й армейской группы уделил особое внимание маскировке и мероприятиям по введению японского командования в заблуждение относительно своих намерений. Советские части демонстративно готовились к глухой обороне, имитировали строительство укреплений, передавали ложные запросы на инженерное имущество и зимнее обмундирование. Дезинформация достигла своей цели, но при этом, чтобы не встревожить «самураев» раньше срока, командирам подразделений запретили проводить свою разведку. Поэтому многие части накануне наступления не обладали информацией о характере обороны противника и его силах.