Наладить снабжение частей Красной армии в районе боев было очень тяжело, но эта задача была, в конечном счете, успешно разрешена. В статье 1940 года Жуков отмечал: «Наша ближайшая железнодорожная станция была отдалена от Халхин-Гола на 750 километров (грузооборот 1500 километров). Это действительно создавало огромные трудности в подвозе огнеприпасов, горючего, вооружения, снаряжения и средств питания. Даже дрова и те надо было доставлять не ближе, чем за 500 километров». В начале июля японские войска переправились на западный берег Халхин-Гола и захватили плоскогорье Баин-Цаган. Они рассчитывали тем самым заставить советское командование отвести войска с плацдарма на восточном берегу. Жуков предпринял контратаку силами только что подошедшей танковой бригады. Она потеряла больше половины своих танков, но вынудила японцев оставить район Баин-Цаган и уйти на восточный берег. Японские танки не шли ни в какое сравнение с советскими БТ. Так, легкий танк «Ха-го» вместо оптических примеров имел щели, не защищавшие от пуль, вместо радио его экипаж использовал переговорную трубу, по которой передавались команды от командира водителю. Командиру также приходилось выполнять функции наводчика и заряжающего. Из танка был плохой обзор, да и вооружение — 37 мм пушка и 2 7,7 мм пулемета — располагались неудачно, образуя большие «мертвые пространства». 12 мм лобовая броня защищала только от пуль, а пушка японского танка могла пробить 22 мм броню советского БТ-7 лишь с дистанции в 300 м, тогда как тот мог уверенно поджигать «Ха-го» с расстояния в 1000 м из своей 45 мм пушки. Японские танки предназначались для сопровождения пехоты, а не для борьбы с танками противника, и использовались рассредоточено. В борьбе с советской бронетехникой на Халхин-Голе у них не было никаких шансов на успех.

20 августа 1939 года началось решающее советское наступление на японские позиции на восточном берегу Халхин-Гола. Японцы не сдавались, а прорваться не смогли. Замысел наступления сводился к нанесению ударов с обоих флангов для окружения японской группировки. Расчет строился на внезапность сосредоточения советских войск и отсутствие у противника танковых и механизированных резервов для нанесения контрударов по атакующим. Советские клинья должны были сомкнуться в Номонгане (Номон-Хан-Бурд-Обо).

К 30 августа в руках японцев оставался последний очаг сопротивления — сопка Ремизова... К этой сопке собрались остатки войск императорской армии. Японская артиллерия почти вся к этому времени была выведена из строя. Поэтому японцы вели главным образом минометный и пулеметный огонь. Наши части, охваченные величайшим воодушевлением, все сужали и сужали кольцо. 30 августа на сопке Ремизова заалели красные знамена».

По официальным данным, опубликованным только в 1993 году, советские и монгольские войска на Халхин-Голе в период с мая по сентябрь 1939 года потеряли убитыми 6831 человека, пропавшими без вести— 1143, ранеными — 15 251 и больными — 2225 человек. В японский плен попало 89 советских и 1 монгольский военнослужащий.    Им противостояли 76 тысяч японцев и маньчжур. Сухопутные войска Японии и Маньчжоу-Го потеряли 8629 человек убитыми, 9087 ранеными и 2350 больными.

15 сентября 1939 года между сторонами было заключено перемирие. Советские войска на Халхин-Голе одержали победу, захватив почти всю спорную территорию и богатые трофеи. Отступая, 6-я армия оставила почти все свое тяжелое вооружение. Советские войска захватили 175 орудий, 115 станковых пулеметов, 225 ручных пулеметов и 12 тысяч винтовок. Однако по соотношению потерь в людях советскую сторону можно даже счесть проигравшей. Особенно если принять во внимание, что из-за недоучета в Красной армии безвозвратных потерь убитых в советских войсках на Халхин-Голе на самом деле могло быть не меньше, чем в рядах Квантунской армии.

Причины поражения японской армии на Халхин-Голе лежали в ее технической отсталости в сравнении с Красной армией. У японцев почти не было автотранспорта, а лошади были очень уязвимы. Например, в дивизии генерала Камацубары к началу боев было 2 705 лошадей, из которых погибло или было ранено 2005, а еще 325 вышли из строя вследствие болезней. Таким образом, к концу боевых действий японцы почти не имели средств для доставки снабжения своим сражавшимся в Номонгане войскам. Японская сторона значительно уступала советской не только в качестве, но и в количестве танков. К 1939 году Красная армия располагала примерно 17 тысячами танков, а годовое производство достигало 3 тысяч машин. В Японии же даже в 1940 году, когда были приняты меры по наращиванию производства, выпустили всего 573 танка. Единственный в японской армии танковый корпус, действовавший на Халхин-Голе, располагал всего 182 боевыми машинами и по силе примерно соответствовал советской танковой бригаде. Жуков же к началу августовского наступления имел в своем распоряжении 498 танков и 385 бронемашин к тому же после неудачи 6 июля, когда японские танки были расстреляны советской артиллерией, командование Квантунской армии вывело свой танковый корпус с линии фронта и более не использовало его против Красной армии.

Получив сокрушительный отпор на берегах Халхин-Гола, правительство Японии обратилось к советскому правительству с просьбой о заключении перемирия. 16 сентября боевые действия на границах МНР прекратились. Окончательно конфликт на Халхин-Голе был урегулирован после долгих переговоров только в мае 1942 года, с заключением соглашения о демаркации границы в спорном районе. В тот момент СССР вел тяжелейшую борьбу с Германией, а Япония — с США и Британской империей. В столкновении друг с другом не была заинтересована ни одна из сторон. В результате граница в районе Халхин-Гола прошла по линии фактического контроля. Почти весь спорный район, включая Номонган, остался в составе Монголии. К Маньчжоу-Го отошли лишь небольшие районы к юго-востоку от Номонгана, захваченные в результате наступления японских войск, предпринятого в начале сентября 1939 года. В ходе переговоров японская сторона тщетно ссылалась на советскую трофейную карту, где граница была проведена по Халхин-Голу. Но здесь перевесило «право победителей». Ведь сражение у Халхин-Гола выиграла Красная армия, что не могла не признать японская сторона.

Следует подчеркнуть, что в сражениях и операциях на реке Халхин-Гол впервые была апробирована теория глубокой наступательной операции. Красная Армия обогатилась опытом ведения военных действий с применением всех видов новой для того времени боевой техники. В частности, августовская операция советских войск явилась первой операцией по окружению и полному разгрому крупной группировки противника, осуществленной с применением большого количества танков, самолетов, артиллерии и других технических средств.