8月31日，在被上万吨炮弹轰击第11天后，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突围。日军各部队亦随之突围。
8月29日，鉴于日军在诺门坎地区的不利情况，日军大本营决定在我国关内战场调集：第5师团（驻青岛），第14师团（驻河南开封、新乡），野战重炮兵第9、第10联队，速射炮9个中队，16个野战高炮队，1个飞行战队，22个汽车中队到达我国东北，以增强诺门坎地区。
同时关东军司令部调集第2师团10000人、第4师团9800人、第7师团8000人、高炮部队和国境守备队主力向诺门坎前进，企图战胜苏军。但在攻势发起前的9月3日被日军大本营阻止。
9月9日，东乡驻苏大使向苏联提出诺门坎停战要求。
9月15日，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，双方于9月16日凌晨2时停止一切实际军事行动。
战争结束。后续资料如下：
据日本学者林三朗《关东军与苏联远东军》记载，日军先后投入兵力为15975人，损失12220人，其中战死4786人、受伤5455人、失踪639人、患病1340人，损失率达80%。
据俄罗斯学者鲍利斯·斯拉布斯基《通向日苏战争之路——从诺门坎到占领千岛》记载，如按照日本方面正式发表，日军投入诺门坎战斗为76000人，其中战死、伤病达18000人；但按照苏联方面资料统计，日军仅战死至少18300人、被俘虏为464人。
据中国学者厉春鹏等人著《诺门罕战争》记载，根据参战的日军第6军军医部编制的诺门坎事件日军伤亡调查表，日军死亡为7696人、负伤为8647人、失踪为1021人、共计为17364人。据1966年10月12日，日本靖国神社举行诺门坎事件战役慰灵祭的报道中，阵亡日军为18000人。该作者认为，诺门坎事件中日军各种伤亡人数应该超过4万。[3]
据《第二次世界大战百科词典》记载，诺门罕事件中，苏蒙军伤亡1.85万多人，日军死伤和被俘6.1万多人。[2]