“哈伊，卑职一定不会辜负司令官阁下的厚望！”
“接下来的战斗还得你们两位多多配合，现在大日本皇军兵强马壮，如果有你们两位作为大军的眼睛和匕首的话，相信支那人的第二战区很快就会撤销的。”
“哈伊！”
华北的日军进展顺利，但是关东军方面却碰到了铁板。5月15日，苏机轰炸阿尔山、甘珠尔庙和阿木古郎附近的日军集结地，500桶汽油被炸起火。5月16日，第23师团全体出动，小松原带着2万人向诺门罕进发。关东军司令部调第1坦克团和第2飞行集团支援第23师，共有12个步兵营、70辆坦克、180架飞机。
5月21日，日军第2飞行集团团长嵯峨彻二中将把他的司令部从新京迁至海拉尔，调来4个飞行团，集中17个战斗轰炸、侦察机中队。5月22日，苏军出动150架飞机空袭甘珠尔庙、阿木古郎将军庙一带的日军集结地和野战机场，日机也倾巢出动。双方从22～24日，在诺门罕地区上空大战3天，近60架飞机被打落在草原上。此后，苏机不断增多，而且出现新型战斗机，日军则逐渐丧失主动权，处于被动挨打的地位。
5月27日，第二十三师团主力2万多人按预定计划到达哈拉哈河左岸，在84辆坦克、180架飞机和400辆汽车的配合下，向苏军发动进攻。同时，在小林少将的指挥下，6000人的部队向哈拉哈河西岸攻击，中午时攻占河东岸的谢尔陶拉盖高地。
对此，苏联方面的抵抗非常激烈，朱可夫立即组织150辆坦克、154辆装甲车、90门大炮和全部飞机及其它部队，分三路反攻。由于巴音查岗高地周围全是开阔地，非常有利于飞机和战车作战，日军全部裸露在苏军坦克和装甲车炮的面前。在这次战斗中，日本的反坦克炮和用燃烧瓶实行近战击毁行军坦克的战术发挥了威力。28日下午，战局开始转为对日本不利，二十三师团撤退到哈拉哈河右岸与安冈支队会合。
随后，日本再次发起进攻，由于受到坦克和重炮的火力拦截未获成功，之后战线呈胶着状态。看到这种情况，参谋本部知道在诺门坎短期以内很难取胜，准备由日本方面作出让步以结束这场战斗。但关东军却坚持说苏联方面的损失也很大，主张再进行一次大规模的进攻。于是，参谋本部31日调关东军参谋长矾谷回京，拿出“诺门坎事件处理纲要”给他看，意思是希望以日本方面的退让与苏联结束这场战争。
但是矾谷中将却说苏联无进行全面战争的意向，只有彻底予以打击，问题才能解决，把参谋本部的指导一下子给顶了回去。并且再次向大本营请战，希望可以与苏联再次决一死战。日军大本营经过商议，最终还是同意了矾谷中将的请求。
关东军深感苏联的兵力比预想的要强大得多，而自己的炮兵力量不足。因此，又由内地调来了三个重炮联队，并且解散了受到打击损失惨重的安同支队，同时在满洲全境实施防空管制。
6月初，日大本营陆军部发出命令，在海拉尔组织第六军，直接指挥作战。第六军司令官由狄州立兵中将担任。战争由此转人了持久战，苏联方面在朱可夫指挥下组建了第一军团，以五个装甲师（坦克、装甲车各420辆）为中心不断增强兵力。同时苏联还不断从国内调集飞机，斯大林还致电第八战区，希望第八战区能够出兵攻打兴安以及呼伦贝尔地区，北方空军最好可以对上述地区的日伪军点展开轰炸，让关东军尝一尝腹背受敌的滋味。
对于斯大林的请求陈锋当然欣然应允，反正苏联方面答应给他额外再赠送2万吨航空汽油，陈锋果断地下令北方空军战斗机1、2、3团，轰炸机1团以及运输机1团立即前往锡林浩特，同时空军司令部也临时迁往锡林浩特。并且责令陈锋与伊万少将、扎采椰夫等人制定轰炸关东军的作战计划。
而已经在锡林浩特集结待命的陆军也接到陈锋的命令，立即向霍林郭勒以及阿尔山开进，特战队先行开道，只要是日伪军的据点就彻底摧毁，大军要以强势碾压的气势将德王等人在东部草原的势力连根拔起。
陈锋所部东进的消息令关东军大惊失色，植田大将一方面给彬山元发报，要求彬山元立即向陈锋所部的防区发动猛烈的进攻，迫使其主力部队回援。同时命令驻扎在通辽、赤峰的第12师团以及第8师团，在伪蒙古军骑兵第2师、第3师，步兵第1师、第2师的协助下向西乌旗、克什克腾旗方向进攻，迫使第八战区的部队南下作战。
至此，战事迅速从呼伦贝尔草原扩大到锡林郭勒草原再扩大到整个东部草原，迅速升级。
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