8月24日凌晨，反攻部队纷纷从坍塌的工事中爬了出来，等日军完全脱离了阵地之后，苏军的炮火铺天盖地般打了过去，无处躲藏的日军伤亡惨重。一天的反击中，日军仅仅前进了不足两公里，但伤亡却是可怕的。有些地方尸体多得摞在了一起，让人无处下脚。
日本战史记载：左翼进攻部队只剩下7名军官和87名士兵，旅团长小林少将右腿被打断，险些让人踩死;右翼进攻部队中了苏军埋伏，森田彻大佐率队冲锋被打成了“筛子”。关东军的疯狂反击失败后，防线全线崩溃，苏军追击到将军庙一线停了下来，歼灭关东军主力目的已基本达到，斯大林不想在远东引发苏日大战。
诺门罕前线的日军最后仅剩下400余人，整建制跑出来的只有骑兵联队百十人。关东军司令官植田谦吉辞职，前线总指挥小松原切腹自杀，参谋长冈本双腿被打断，后来这位大佐在海拉尔医院治疗时，不知怎么惹恼了伤兵，被人用刀活活地砍死在病床上。整个诺门罕战争期间日军损失了近50000人，步兵第23师团、第7师团、第8国境守备队(旅团)、第1独立守备队(旅团)和第1坦克师团几乎损失殆尽，11个特种兵联队彻底丧失了战斗力。高级军官的伤亡也是空前的，日本报纸哀叹：“大量高级军官如此集中的伤亡是日俄战争后从未有过的”。
9月3日，关东军停止了一切战斗行动。东京肯罢战的原因一方面是前线已无可用之兵，一方面缘自《苏德互不侵犯条约》的签订。消息传来，无疑给日军当头一棒。签约前德国根本没打算跟日本通气，希特勒从心里瞧不起这个弹丸小国。
