8月31日，在被上萬噸炮彈轟擊第11天后，彈盡糧絕的日軍第23師團決定突圍。2000多名第23師團士兵用手榴彈近戰突圍。日軍各部隊亦隨之突圍。
8月29日，鑒于日軍在諾門坎地區的不利情況，日軍大本營決定在我國關內戰場調集：第5師團（駐青島），第14師團（駐河南開封、新鄉），野戰重炮兵第9、第10聯隊，速射炮9個中隊，16個野戰高炮隊，1個飛行戰隊，22個汽車中隊到達我國東北，以增強諾門坎地區。
同時關東軍司令部調集第2師團10000人、第4師團9800人、第7師團8000人、高炮部隊和國境守備隊主力向諾門坎前進，企圖戰勝蘇軍。但在攻勢發起前的9月3日被日軍大本營阻止。
9月9日，東鄉駐蘇大使向蘇聯提出諾門坎停戰要求。
9月15日，日本駐蘇大使東鄉與蘇聯外交部長莫洛托夫簽訂停戰協定，雙方于9月16日凌晨2時停止一切實際軍事行動。
戰爭結束。后續資料如下：
據日本學者林三朗《關東軍與蘇聯遠東軍》記載，日軍先后投入兵力為15975人，損失12220人，其中戰死4786人、受傷5455人、失蹤639人、患病1340人，損失率達80%。
據俄羅斯學者鮑利斯·斯拉布斯基《通向日蘇戰爭之路——從諾門坎到占領千島》記載，如按照日本方面正式發表，日軍投入諾門坎戰斗為76000人，其中戰死、傷病達18000人；但按照蘇聯方面資料統計，日軍僅戰死至少18300人、被俘虜為464人。
據中國學者厲春鵬等人著《諾門罕戰爭》記載，根據參戰的日軍第6軍軍醫部編制的諾門坎事件日軍傷亡調查表，日軍死亡為7696人、負傷為8647人、失蹤為1021人、共計為17364人。據1966年10月12日，日本靖國神社舉行諾門坎事件戰役慰靈祭的報道中，陣亡日軍為18000人。該作者認為，諾門坎事件中日軍各種傷亡人數應該超過4萬。[3]
據《第二次世界大戰百科詞典》記載，諾門罕事件中，蘇蒙軍傷亡1.85萬多人，日軍死傷和被俘6.1萬多人。[2]