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但这个停止攻击的建议被第23师团与关东军司令部拒绝了。日军高级将领对苏军的印象还停留在日俄战争时期，其作战依据竟然还是“俄军一旦后路被断，马上就会全线崩溃”的日俄战争的“老经验”。关东军认为毛子军战斗力很低，英勇的日本陆军完全能够在无炮火支援的情况下，击败拥有大量坦克支援的优势数量苏军，所以不但不听从第23师团军需官的建议。反而指责其信心不足。不是合格的帝**人。因此第23师团军需官承受不了压力，在部队出动之时自杀。
让关东军没有想到的是，苏军虽然场面上难看，但有朱可夫在。一直没有崩溃。结果准备不足的日军就被动了。由于弹药接济不上。很快由攻势转入全面守势。朱可夫等得就是这个机会，他们这一退，苏军马上就压上来了。
决战开始了！
苏军分三路进攻。
北翼最先以机械化步兵进攻。吸引日军增援。中部则以步兵牵制日军主力。南翼集中一个步兵师、一个装甲旅，约一万人及三百辆坦克，配合火炮、空军向快速北迂回，从侧翼包围河东的日军。
8月20日，苏军渡过哈拉哈河。
日军的作战策略则是以前线部队阻挡敌军进攻，等待苏军的进攻力减弱后，以援军从侧面包围苏军。但是苏联闪电战式的立体机动作战，特别是大量投入的装甲兵，迅速突破了日军的防线。
8月24日，苏军南北两翼在诺门罕合围。日本关东军第23师团的主力被团团包围，前来增援的第7师团吓得掉头就跑。
8月27日，日军第23师团经过一番苦战后也突围了，但是损失巨大。
战后苏联宣称大胜，全歼日本关东军第6军6万余人，生俘3千人，自身损失4千人。日本也宣称自己取得了胜利，但是没有公布自身伤亡人数。
据1991年苏联解体后解密的档案显示，苏军真正死亡人数约为八千人，超过一千人失踪，另外一万六千人受伤。而关东军第6军的军医部提交给军队高层的报告表明了日军的阵亡人数为7696人，负伤人数为8647人，下落不明的人数为1021人。
技术装备上，苏军损失装甲车辆超过350，飞机250架；日军损失坦克30辆，飞机180架。
由此可见，苏军虽然取得了最后的胜利，但损失比日军要大得多，充其量只是一场惨胜。其实作为日军主力的第23师团并不是什么精锐部队，很多官兵都是第一次上战场，但是发挥得非常出色。这应该归终于日军良好的军事训练和出色的技战术水平。
二战后有记者采访朱可夫将军，问及一生中最艰难的时刻时，他回答是哈拉哈河战役。朱可夫对日军的评价是下级军官很优秀，战斗很狂热，但是越往高层越烂，特别是含金汤匙出生的高级将领只能用无能形容。
其实也不是完全无能，主要是裕仁天皇反对在中国战局未定的情况下与苏联发生全面冲突，并禁止给关东军提供补给。打到最后，关东军无以为继，四处搜罗连同开始就配属给23师团的火炮才凑了80门左右的火炮，一共向前线输送了19000发炮弹，而这点炮弹竟然相当于当时关东军炮弹总储备量的75％！
后来在格勒乌（俄罗斯联邦军队总参谋部情报总局，即gru）任职的瓦西里。诺沃布拉涅兹上校曾参与过该战役。他在回忆中认为苏军的战斗有很多缺陷，是靠巨量的人力伤亡和兵器优势打胜的。如苏军弹药消耗达到31000吨，相当于库尔斯克战役消耗量的15％。日军方面，7月攻势中82门火炮储备了3万发炮弹用于进攻，平均每门炮备弹366发，大致是平均每门炮30％会战份，远低于1937年在中国战场平均每门炮约50％会战份弹药的标准。
苏军之所以打得这么差。主要还是持续的肃反严重影响了部队士气和战斗力。看过相关肃反材料的人都知道，挨整的人基本上都是能力较为出众的，结果整来整去，优秀人才一扫而空。剩下官兵们也提心掉胆，生怕哪天落到自己头上。
当时苏军普遍怯战，官兵逃亡的很多，逼得朱可夫连续撤换了两名坚持要撤退的师长，并下令将坦克驾驶员锁在坦克里面！可见当时情形险恶到什么程度。
值得一提的是，日军731部队在此战首次使用了细菌武器：派敢死队在苏军取水源头上游的holsten河投入了炭疽菌，但是给苏军造成的病倒效果不好。经检讨认为是因为细菌在水中失去活性。只有一名日本兵感染身亡。中国有资料却声称反给日军造成了1200人病死，如果属实的话，那731真是摆了一个大乌龙。
在日苏开战的同时，活动在长白山的抗联也突然出动。在这个时空里。抗联（主要是第一路军）的生存环境要比历史上好得多。
冯锟借着做生意的机会。悄悄把延安的情报人员带到了东北。并跟杨靖宇司令员接上了头。延安方面随后命令抗联停止执行之前的错误方案，也就是王明和苏联远东局的瞎指挥。郑卫国也派了一个特战队和一个狙击手排配合他们作战。
当时恰好叛徒程彬像疯狗一样四处破坏抗联的密营，也是秘密物资补给点。特战队将计就计。直接埋伏在一处密营外，由十名最好的狙击手联手狙击，当场击毙了程彬和张奚若等十余名铁杆汉奸。这一行动使得大量密营得以保存。
在日军随后搞的集家并村行动中，又是特战队一马当先，以神不知鬼不觉的手段接连攻破数处“集团部落”，迫使大部分伪军和伪政权成了两面政权。
不过总的来说，抗联的局势还是相当不利。主要是日军在东北的统治已经基本稳固，关外百姓的生活水平甚至超过了关内敌占区和国统区百姓的生活水平。特别是铁路沿线和大城市，如果是满铁等大企业的职工，甚至可以说达到了小康水平。
看过《红灯记》的都知道满铁有个职工叫李玉和，仅仅是一个信号工人就能靠工资养活三家人。虽然仅仅是维持最基本的温饱，但这在关内是难以想象的。
历史上，杨靖宇牺牲前，那个出卖他的伪牌长赵廷喜还劝他：“我看你还是投降吧，如今满洲国对投降的人不杀头的。”
所谓敌后游击战其实不是真正的敌后，是离不开老百姓的支持的。要是失去了群众基础，那部队就没法生存。所以郑卫国再三考虑，建议中央把抗联全部撤回关内集中整训。
趁着日军跟苏联打得正起劲的时候，抗联第一路军迅速向东北方向挺进，连续击破日军多处据点。然后以小部队牵制敌军主力，大部队则分四路迅速跳出日军的包围圈，直扑国境线。
临出国时，第一路军还顺手打破日军几个据点，解救了八千多名劳工，这些人后来大部分也加入了抗联。抵达苏联境内之后，一路军又汇合了二、三两路，然后借道苏联，经外蒙回国。
这支部队归国后引起了极大的轰动，就连常凯申也不得不给了一个国民革命军步兵第39师（据说是为了纪念他们39年回国）的番号。师长兼政委杨靖宇、副司令员赵尚志、副政委魏拯民、参谋长周保中、政治部主任李兆麟。全师下辖三个团，分别由抗联三个路军改编成而成，算上解救劳工和延安调配的技术兵种，共计两万余人。
不过委员长用惯合纵之术，一时技痒，还是给延安上了一点儿眼药，将这个师隶属于东北挺进军，归马占山指挥。没想到延安方面二话不说就答应了，搞得常凯申对马占山也不信任了，粮饷开始无故短缺，但这样一来，马占山跟延安方面就走得更近了。