地面的冲突暂时停歇，但空中小规模的的零星格斗一直在持续。朱可夫命令空军在大反攻之前要不断出动对日军进行袭击，消耗日军已经日渐衰弱的空中力量，提前扫清来自空中的障碍。7月29日，20架苏机袭击了日军的前线机场。日军第24战队中队长、空战英雄可儿才次少佐刚刚执行任务回来，飞机着陆后还没走出机场就被当场炸死。王牌飞行员这样窝囊地死在地面上，估计可儿少佐一定是死不瞑目了。在当天傍晚的又一轮空袭中，第1战队中队长原田文雄少佐又机毁人亡。8月2日，苏军50架战机再次袭击将军庙机场，日本最优秀的飞行军官、曾任关东军航空主任的第15战队队长安倍克己大佐战死。两天之后，刚刚得到补充的日本第24战队再次在没有预警的情况下仓皇起飞应战，队长松村黄次郎中佐的指挥机遭受重创强行着陆，松村中佐身受重伤。日本空军的人员和战机损失已经到了难以为继的地步。
植田信任小松原并不代表东京也相信他。眼看前线没有一点起色，大本营决定扩大建制，在诺门罕前线成立第六军，司令部就设在离诺门罕最近的海拉尔。随着新调集部队的陆续到来，前线的部队总数再次超过了8万人。大本营不相信小松原有指挥这么多人马的能力，于是调原驻关内宜昌的第13师团师团长荻洲立兵中将任第六军司令官。此举让小松原感到跟吃苍蝇一样难受，但却也无话可说。谁让你之前连打败仗呢？
从植田司令官、矶谷参谋长等高官到服部、辻政信等作战参谋，对大本营此举无不是既愤慨又伤心：这分明是不信任关东军、有意给我们难堪啊！事实上来说，这个表面上看起来扩大了的编制也毫无意义，一下子破坏了之前好不容易才建立起来的指挥系统和协同关系，等于在第23师团和关东军之间又空降来一个军长，弄这一出子俨然是脱裤子放屁多此一举。这军长还是新来的，对前线的情况并不了解。作为刚提拔的军长，荻洲立兵中将也不能不装样子到前线看看，还要顺便做出一些重要指示。让人想不到的是，荻洲的指示恰恰和之前植田大将的指示相反，小松原也不知道听谁的才对。两人见了几次面，互相之间都不冷不热，似乎有点互不买账的样子。
8月中旬，“七三一部队”的山下健次大尉带领病原菌检查班来到海拉尔，通过检验病员粪便的方法最终确认，前线大量士兵染发的怪病其根源就在于自己之前投放的传染病菌。
荻洲中将来到诺门罕前线之后也没有觉察到苏军反攻的准备。前线观察报告说苏军正在大规模地修建过冬的营房，有限的几次空中侦察也只看见苏军长长的运输车队在广阔的原野上奔驰。荻洲中将立即相信了前线小松原一伙做出的结论：苏军正在做过冬的准备。对苏军车队忙个不停，荻洲给出了一个他认为完全科学合理的解释：诺门罕的冬天极为严寒，最低气温常常低于零下四十度，要想在诺门罕过冬当然需要大量的御寒物资，苏军运送物资那是一点都不奇怪呀。于是荻洲放心地回到海拉尔去了，他甚至没有取消军官周末轮流度假的命令。你们要过冬，我们也轮班潇洒一下吧。他根本没想到那些运输车队运送的不是修建营房的物料，而是苏军准备反击的作战物资。
关东军司令部也相信了荻洲中将的判断，在8月12日下发了《诺门罕事件处理纲要》，其主旨就是要求做好持久战的准备，以便在严冬季节确保既得战果。此时离漫长冬季来临的十月已经不远了。有事咱明年春天再说吧。
苏军的反攻日方并不是没有人预料到。期间关东军曾经接到了哈尔滨特务机关长秦彦三郎少将从苏联远东地区内线得到的绝密情报。情报的内容是：莫斯科要求朱可夫在8月5日至8月10日对日军开始总攻击，朱可夫因为作战物资尚未完全到位要求推迟攻击时间。与此情报相对应的是，前不久日本驻苏联大使馆副武官土居明夫大佐经西伯利亚铁路回国途中，曾发现苏军的两个师和80门大炮正在运往前线。驻苏联使馆也发来电报，认为苏军一定会在近期发动攻势。可惜关东军和第六军对这些珍贵的情报居然置若罔闻。
朱可夫规定一直到大反攻到来的两天之前，所有部队一律不准进入划定的进攻出发地域。同时要求苏联军官必须换上士兵的服装提前潜伏到前沿勘察地形，熟悉分配给自己的阵地和进攻方向。
为了确保反击的突然性，反攻作战计划要做到绝对保密：只有朱可夫和他的政委、参谋长以及作战部长四个人知道。也不对，知道的还有一个人。所有战役的计划、命令等作战文件都由司令部一名专门的打字员打印。前线将士都是在总攻开始前3个小时才知道即将发起的总攻。
朱可夫建立了南部集群、北部集群和中央集群三个攻击群。南部集群由步兵第57师、坦克第6旅、蒙古骑兵第8师、摩托装甲第8旅、坦克第11旅的两个坦克营、一个自行火炮营、坦克第37营和一个喷火坦克连组成。北部集群由坦克第11旅、摩托装甲第7旅、步兵第36师第601团、蒙古骑兵第6师和坦克第87营组成。中央集群是步兵第36师和第82师、步兵机枪第5旅和两个炮兵团。总预备队是摩托装甲第9旅和空降兵第212旅。参与进攻的部队和装备总计515架飞机、498辆坦克、385辆装甲车、542门大炮、机枪2255挺以及士兵57000人。
苏蒙军的计划是：以步兵为主的中央集群进攻并牵制正面的日军，南、北两个装甲机械化集群从两翼迂回包抄对日军实施围歼。
朱可夫也清楚日军星期天安排军官轮流到海拉尔度假的惯例。他翻看了日历，8月20日就是星期天。
为了保证强大的攻击兵力能够迅速通过哈拉哈河，8月19日深夜，苏联工兵连夜在哈拉哈河上又架起了四座浮桥。
事实正如朱可夫所料。战后统计8月20日这天，在200公里之外的海拉尔，风流快活的日军军官超过了总数的40%。