诺门罕战役爆发之初，关东军总司令植田谦吉视察了731部队，并命令731部队以防疫给水部的名义参加诺门罕战役。石井四郎将当时731部队的400余人员抽调出一半，组队参战，并且分编成两部分，一部分从事防疫给水，另一部分组成敢死队，准备对苏军实施细菌攻击。
石井四郎拟定了细菌作战计划，一是将炭疽菌炮弹用火炮发射到苏军阵地。二是使用飞机向哈拉哈河西岸投掷内装鼠疫跳蚤的细菌炸弹，或者是感染了细菌的小动物，物件和食品。三是派出敢死队深入哈拉哈河西岸，用细菌污染苏军队各水源。
因为此作战十分重要，日军前线指挥官小松原对石井的细菌作战方案的可行性作出平析。担心有人员被俘，若暴露出细菌战谋略，必会遭到苏军的报复。另外，如果日军若攻入被细菌污染的西岸地区，又将危害自身，因此关东军高层缜密分析研究，决定731部队的细菌战计划是在日军战争失利的情况下实施。
7月11日，日军第23师团失利，于是细菌计划开始实施。7月12日，敢死队队长施常重少佐受命带领敢死队秘密潜入哈拉哈河西岸，在河中投洒了22.5公斤的霍乱，伤寒和炭疽菌。
月13日，石井四郎告知日军司令部，通知日军各部队不要再饮用哈拉哈河的水。然而此时的苏联情报人员早有察觉，通过战前大量谍报工作，在中共抗联人员的积极配合下，获取了细菌战的机密情报，苏军随即做好相应的防护准备，在部队进行了相关的教育和防护演练，还专门从后方铺设了数条输水管线以保障饮水安全。
而日军此时还未解决好细菌武器的相关技术问题，这次细菌作战还只是实验性质，加上苏军各项防护措施得当，在整个战役中并没有因日军的细菌战造成大量伤亡。在苏军的猛烈打击下，不少溃败的日军部队没有接到关东军司令不准饮用战区河水的命令，许多士兵都在极度干渴，饥饿的情况下，跑到河边便喝起了水，结果很快成了细菌战的牺牲品。
得知事件发生后，日军为防止泄露细菌战秘密，引起国际社会的谴责和苏联的报复。就下令将所有感染细菌的伤病员立即集中秘密处理，毁尸灭迹，顺带把细菌战的帽子扣到了苏军头上。
据战后日本关东军军医院的数据统计,整个作战期间，日军前线部队共有1173人因感染细菌死亡。而石井四郎d 部队却从中获得实战经验，并受到了关东军司令部的特别嘉奖。作为报复，日军将被俘的苏军士兵，都被送到了石井四郎的部队进行人体实验，以求查明在此次战中苏军没有受损的体制原因，并将改进后的细菌武器更凶残的投放到中国战场。
与二战中的其他重大战役相比，后世很少有人提及诺门罕之战。究其原因，一是对苏联而言，主战场是欧洲战场，自然淡忘了远东的诺门罕之战。二是对日本而言。在其国力，军力强盛之时，占尽天时，地利，攻击苏联，却遭遇惨败，颜面丧尽。
不过诺门罕战役的失利却对日本的侵略布局产生了重要影响和一连串的蝴蝶效应，在日本，决策层曾有两种对外侵略战略，一是北京战略及依托中国维根据地进攻苏联占领西伯利亚。另一个是南下战略，依托中国为根据地占领南洋诸岛，陆军主张北京。海军主张南下，双方争持不下。
1936年8月7日，日本参谋本部调整了他的战略，就是南北并进。在诺门罕战役之前，日本关东军曾趾高气扬，以为苏联红军和沙俄军队一样弱不禁风，却没想到整个战役日本人被苏联红军新秀朱可夫打了个落花流水。
在之后，德国外长曾致电日本，希望日本可以配合德军的东线，对苏联发起进攻。可是日本已经被苏联给打怕了，而且也想着当时日本对对苏联发起进攻的时候，德军也没有对苏联施加压力，于是没有出兵苏联，改为了南下政策。
随着日本的南下政策，希特勒最不希望看到的结果也随之而来，日本偷袭珍珠港，宣战美国。而美国的下场也使得战局开是逐渐扭转，最终日本也付出了巨大的代价。
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