战斗到最后，日军第23师团已经被完全合围了。
在苏军重炮群、坦克群、航空炸弹的猛烈轰击下，日军第23师团损失惨重。
此役，苏军重创重日军第23师团搜索队，全歼第7师团第26联队第1大队，日军第64联队和炮兵第13联队被苏军大部歼灭，第64联队长山县武光大佐和炮兵第13联队长伊势高秀大佐均被击毙，23师团第71联队长森田彻大佐亦被击毙，日军仅有的22门加农炮全部丧失。
在被上万吨炮弹轰击后，弹尽粮绝的日军第23师团决定突围。2000多名第23师团士兵用手榴弹近战杀出一条路，突出重围。日军各部队亦随之突围。
无奈之下，日本驻苏大使向苏联提出诺门坎停战要求。
日本驻苏大使东乡与苏联外交部长莫洛托夫签订停战协定，双方决定：停止一切实际军事行动。
诺门罕之战，双方投入战场兵员20余万人，大炮500余门，飞机900架，坦克、装甲车上千辆，死亡6万余人。
此次战役失败，使日本军方放弃了北进计划，而转为南进。最后引发美国对日宣战，加快了日本灭亡。
战后，日本军方裁定，此次战役失败，与情报提前泄露有关。
由于驻华日军司令官吉川的极力周旋，山田才免于处分。这让本来准备剖腹自杀的山田惊喜万分。
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