Весь июнь в районе противостояния шли активные воздушные бои, в результате которых советской авиации во главе с комкором В.Я. Смушкевичем все же удалось одержать вверх и завоевать господство в воздухе. В июле 1939 г. основные бои развернулись в районе горы Баян-Цаган, где японская группировка генерал-майора И. Кобаяси была полностью разбита в ходе «Баян-Цаганского побоища». Одновременно советско-монгольским войскам удалось отбить все попытки другой японской группировки генерал-лейтенанта М. Ясуоки форсировать Халхин-Гол. С середины июля по всей линии противостояния установилось относительное затишье, шли лишь позиционные бои, велась усиленная концентрация войск и разработка новых планов военной операции. В результате к середине августа соотношение сил оказалось следующим: в составе 1-й Армейской группы РККА (Г.К. Жуков) насчитывалось 57 тыс. штыков и сабель, почти 850 танков и бронемашин и 580 самолетов, а в составе 6-й японской армии (Р. Огису) — 75 тыс. штыков и сабель, 180 танков и бронемашин и 700 самолетов.
Японские штабисты, наивно убежденные в оперативном превосходстве своих войск, на 24 августа запланировали новое наступление против правого фланга советско-монгольской группировки. Однако 20 августа после мощной артподготовки советские танковые и механизированные части при активной поддержке фронтовой авиации совершенно неожиданно перешли в наступление и уже к исходу 26 августа окружили и уничтожили 28-й, 64-й и 72-й пехотные полки 7-й и 23-й пехотных дивизий противника. Неоднократные попытки японского командования провести контратаки и деблокировать группировку своих войск в районе Халхин-Гола закончились полной неудачей, и к исходу 31 августа территория Монгольской Народной Республики была полностью очищена от японских войск. Японский генералитет все еще надеялся на реванш, и в первой половине сентября в небе Монголии развернулось настоящее воздушное сражение, в котором советские асы одержали верх.
Военное поражение японской армии на реке Халхин-Гол и одновременное подписание советско-германского пакта «О ненападении» привело к правительственному кризису и отставке кабинета генерала X. Киитиро. Новое японское правительство генерала Н. Абэ, который был категорическим противником военного союза с А. Гитлером и Б. Муссолини, 4 сентября 1939 г. заявило, что ни в какой форме не намерено вмешиваться в военный конфликт в Европе. А 15 сентября 1939 г. в Москве состоялось подписание трехстороннего советско-монголо-японского соглашения о ликвидации конфликта, которое в конечном итоге привело к заключению советско-японского «пакта о нейтралитете», подписанного министром иностранных дел И. Мацуока во время его визита в Москву 13 апреля 1941 г. Таким образом, в традиционном противостоянии японских генералов и адмиралов победила «морская партия», которая всегда выступала за осторожную экспансию в Юго-Восточную Азию и на острова Тихого океана, а Советский Союз снял угрозу возможной войны на два фронта.
Примечательно, что когда начались активные боевые действия на реке Халхин-Гол, а между Москвой, Лондоном и Парижем уже третий месяц шли абсолютно бесплодные консультации по вопросу об англо-франко-советских переговорах, в июле 1939 г. японский министр иностранных дел X. Арита и английский посол Р. Крейг подписали соглашение, по которому Великобритания признала все японские завоевания в Китае, оказав, таким образом, прямую дипломатическую поддержку японской агрессии против Монголии и ее союзника СССР. Тогда же Администрация президента Ф.Д. Рузвельта продлила торговый договор с Японией, в рамках которого токийское правительство закупило в США грузовики для Квантунской армии, станки для авиазаводов и стратегические материалы, в том числе стальной прокат, бензин и другие нефтепродукты.
В начале апреля 1939 г. германский Генеральный штаб под руководством генерал-полковника В. Гальдера завершил разработку плана ведения войны против Польши под кодовым названием «Вайс». По мнению ряда историков (В. Сиполс, В. Фалин), первоначально нацистская Германия не была заинтересована в превращении этого конфликта в общеевропейскую, а тем более новую мировую войну. Поэтому германский дипломатический корпус, новым главой которого вместо барона К. Нейрата был назначен И. Риббентроп, стал проявлять особую активность как в отношении Англии, так и в отношении СССР, стремясь сохранить их нейтралитет в случае начала войны с Польшей.