這時，日軍兵力已達75000多人。但是，在這個時期裏，日軍新補充進來的炮兵不知道如何開炮，新補充進來的步兵連靶都沒有打過，很多人連開槍的基本動作都沒有學過。在所有的步兵部隊裏，練習過刺殺的士兵不到20%。隱蔽訓練基本上沒有開展過。新任命的軍官也沒有什麼戰爭指揮經驗。
7月10日：日本關東軍將“安崗支隊”番號撤銷，命令“第1戰車團”返回原地。號稱“皇軍之花”的機甲精銳，不但沒有大顯身手，反而落得如此狼狽的下場。
為了挽救不利的戰局，喪心病狂地日軍決定冒天下之大不韙，在諾門罕作戰區域秘密使用細菌武器。關東軍司令植田謙吉，親自命令駐長春的石井四郎“關東軍防疫給水部”(即後來的“731部隊”)和第100細菌部隊，緊急開赴諾門罕參戰。
7月13日：日軍細菌戰專家石井四郎大佐，派出由22人組成號稱“玉碎部隊”的敢死隊員，攜帶裝有各種細菌的容器，秘密潛入蘇軍一側地區哈拉哈河上遊，施放了炭疽、傷寒、霍亂、鼠疫等烈性傳染病菌溶液22.5公斤。
然而，靈緹早已將日軍在諾門罕準備實施細菌戰的機密情報，送給了娜達莎。蘇軍也很快做好相應的防護準備。針對日軍在河水中投放細菌的罪惡手法，朱可夫下令蘇軍後勤保障部門，專門從後方鋪設了數條輸水管線，用以保障部隊的飲水安全。
此時日軍並未能徹底解決好細菌武器的相關技術問題，這次細菌作戰還隻是實驗性質，加之蘇蒙聯軍各項防護措施得當，在整個戰役中，並沒有因日軍的細菌戰造成大的傷亡。而卑鄙的日軍為保守此次細菌戰的秘密，竟不向參戰部隊下發防護訓令，結果造成不明真相的前線部隊大量非戰鬥減員。
據戰後關東軍軍醫部的數據統計：在整個作戰期間，日軍前線部隊共有1300多人因感染細菌而死亡。為掩人耳目，日軍將其統統稱為“病因不明死亡者”。
第2次諾門罕之戰打響不到半個月，關東軍損兵折將已近萬人，坦克、裝甲車、飛機、野戰炮等技術兵器損毀過半，日軍隱隱感到蘇軍並不像東京所想的那麼好對付，於是破釜沉舟，決定動用珍藏的280毫米遠程重炮部隊。
7月15日：關東軍駐滿洲各地的炮兵聯隊紛紛忙碌起來（包括駐旅順的守備炮兵），重型履帶牽引車，將一門門炮管碩長的加農炮從洞庫中拖拽出來，關東軍拿出了全部家底。
7月16日起：關東軍開始將包括旅順守備炮兵在內的各炮兵部隊陸續調往戰場，並動用了日軍秘密研製並“珍藏”多年的遠程巨炮。這種遠程巨炮曾在日俄戰爭中發揮過強大威力，一天就將俄軍陣地整個山石削去3米。
這一情報立即被柳原振雄和鄭文清及時發出，朱可夫從娜達莎手裏接過情報，激動地說：“太重要了！太及時啦！太棒了！娜達莎，我要為影子向斯大林同誌請功！”
7月17日：安崗正臣、玉田美郎等懷著頹喪的心情率殘餘分隊離開了戰場，經海拉爾返回公主嶺駐地。“安崗支隊”番號撤銷的原因，主要是損失過半，失去戰鬥力。另外，關東軍首腦還有一個考慮：坦克造價昂貴，不如“肉彈”（使用反坦克雷和火焰瓶的敢死隊員）來得便宜，而“肉彈”攻擊更能體現日本軍人的犧牲精神。
7月20日：日軍用新調集的86門重炮(其中包括數10門“珍藏”的280毫米遠程巨炮)，以每天1.5萬發炮彈的密度轟炸，向蘇蒙聯軍猛烈轟擊，將整個諾門罕戰場變成一片火海。如此大規模、長時間的炮擊，據記載為日本陸軍史上首次。
得到遠程巨炮和各種重炮火力支援的第23師團，再次向蘇軍發起進攻。由於炮彈消耗量驚人，打到下午，炮群一口氣打出了近萬發炮彈，這種消耗在日軍戰史上是驚人的，照這樣打下去要不了幾天關東軍就得破產。日軍運輸車隊晝夜不停地運輸炮彈仍滿足不了需要，大規模炮擊沒打幾天，關東軍所有的庫存炮彈就頻頻告急，尤其是280毫米巨炮的炮彈更是所剩無幾。