1939年5月，日军突然侵犯原友邻蒙古的边界。根据1936年3月12日的苏蒙条约，原苏联政府有责任保卫蒙古不受任何外敌侵犯。朱可夫被紧急召赴国防委员会。在那里，伏罗希洛夫给他介绍了当时的形势，并委派他带几个专业军官立即飞赴远东亲临督战。
然而日军并没有因为形势变得对自己不利而罢休。1939年5月，再次爆发了敌对行动。日本人声称，七百名外蒙古牧民侵犯了哈勒欣河边界。苏联历史学家认为，这次战役是对俄国实力的新的试探，同时包藏着日本对苏联后贝加尔地区和远东的领土野心。
日军为了集结兵力，着手提高哈尔滨—齐齐哈尔—海拉尔铁路线的运输能力，并开始修建一条与蒙古边界平行的从索伦到甘珠尔庙的新铁路。他们决定夺取哈勒欣河东岸的蒙古领土。河东岸这块地区是一片荒无人烟的草原，防守力量薄弱。蒙古人民共和国的边境哨所距边界12~18英里，而且附近没有蒙古正规军。根据互助条约驻在蒙古的红军第57特别军的部队，距这块可危的地区约300英里。日军立即投入紧张的训练。4月中，他派遣一支特遣队前往哈勒欣河绘制地形图。5月初，日军飞行员开始在蒙古领空进行侦察飞行。
1939年5月11日，日军发动进攻。地面都队袭击了边境检查站，空军则轰炸了山峦起伏的边境上的一支警戒部队。到5月14日，大约300名日本骑兵已前出至哈勒欣河。派去收复边境的蒙古边防部队被敌机打散。苏联政府为履行它同蒙古人民共和国的互助条约，命令驻蒙苏军保卫两国边界。
到5月底，日军指挥部在哈勒欣河东岸集结了一支拥有1000多名步兵、900名骑兵、一小批装甲车和40架飞机的兵力。蒙军将其骑兵第6师调到前沿，而苏军则从坦克第11旅调去一个步兵机枪营，一个加强装甲车连、一个工兵连和一个炮兵连。其他蒙军和苏军部队正开往作战地区。
5月28日，日军发动突击，企图从两翼包抄苏蒙军，从后面实施攻击，切断他们返回哈勒欣河渡口的后路。数量上占优势的日军，开头压得苏蒙军步步后退，但很快就被苏军炮兵部队和一个步兵连挡住了。当晚，苏军步兵第149团乘卡车陆续抵达，旋即投入战斗。战斗持续整整一夜。5月29日晨，苏蒙军队发动反击，激战一整天，把日军赶回边界。两天激战中，击毙了400名日军官兵。
6月初，朱可夫抵达前线，接管了部队指挥权。7月的头几天，日军开始集结部队，准备发动一次新攻势。这时候日军兵力约3.8万人，得到135辆坦克、10辆装甲车和225架飞机的支援。而保卫哈勒欣河东岸一条46英里长的正面的，只有1.25万名苏蒙军。苏军的装甲车辆较多，共有186辆坦克、226辆装甲车，这给朱可夫提供了一次极好机会，来检验苏联坦克的效能，检验各种战术的效果。
日军在拥有三倍于苏军的兵力的优势下，企图包围并歼灭哈勒欣河东岸的苏蒙军队。作战计划规定，用一支强大的部队绕到守军左翼，偷渡哈勒欣河，夺占巴英查岗山，从背后实施攻击。这次攻势是7月2日发动的。步兵和坦克得以楔进苏蒙军阵地，一直进抵河边，才被阻止。7月2日夜间，日军陆续偷渡到河西岸，次日晨完成了部队的调动。日军在很快占领下一个目标——巴英查岗山以后，继续向南开进，大有包围东岸苏蒙军之势。
朱可夫猜到了敌人的图谋，决定发动一次三管齐下的反突击，即：坦克第11旅从北面攻击日军，摩托步兵第24团从西北进攻，而装甲第7旅从南面进攻。苏军的打击非常突然，日军士兵乱作一团。反突击的效果，为一名日军士官所证实。他在日记中写道：“我们当时惊慌失措，战马嘶叫，拖着火炮的战车四处奔跑，汽车也四处乱窜。”
日军三面被包围，但仍死守阵地，拼命企图保住巴英查岗山。他们7月4日的反扑被红军空军和炮兵部队所粉碎。当晚，苏蒙军各部队对巴英查岗山发动总攻。第二天下午，日军的抵抗被最后粉碎。敌人开始撤退，并企图撤过哈勒欣河，朱可夫投入坦克部队追击敌人。因为日军修的唯一一座浮桥已被炸毁，许多日军官兵在企图泅水时溺死水中。
日军暂时受挫，开始策划新的行动。经过两个半月作战之后，苏军指挥部认识到，由于兵力不足，只能进行长期的防御战，此外别无他法。对此，约翰·埃里克森写道：
看来，唯一的办法是从内陆调来部队，并改组指挥部。朱可夫军长看来是最合适的人选。他被任命为第1集团军群司令员，肩负起彻底打败日军的重任。他对这一任务不能抱任何侥幸心理，只能胜，不能败。大批援兵陆续开来，加强了朱可夫的军队。但是，朱可夫有他自己的风格，正是这种风格使他后来成为非常杰出的人物。他总是等到自己掌握了相当大的优势才发动反攻。按发动反攻那天计算，他的兵力与日军相比的优势是：步兵1．5比1、机枪1.7比1、火炮2比1，飞机也是2比1，而坦克则拥有4倍的优势。到8月18日，朱可夫几乎全部准备就绪了。
在柴可夫指挥这次战役的时候，苏联同西方国家的谈判以及与此同时对德国人的试探，也在1939年夏天进入了关键阶段。
司令部经过改组，全部苏蒙军都归朱可夫军长指挥。此后又为远东苏军调来增援部队，这两件事是具有极其重要的意义的。
哈勒欣河战役的意义不可低估。当时全世界都在注视着这次战役的结局。它关系到苏联的国际威信，而且这也是在实战条件下检验新武器装备和新战术的难得的机会。朱可夫深知这项任务也是对他的能力的检验。因此他必须能经得起这次检验。
到8月1日为止，日本人巳调来了步兵第7师和第23师（均为全员）、3个重炮团、3个骑兵团，还有伪满洲国的1个步兵旅。他们的步兵第14旅也从满洲里抵达；他们还把步兵第1师的所有防坦克炮兵连悉数调到哈勒欣河地域。日军还加强了空军力量，并从旅顺要塞派出一支重炮部队。日军总兵力（包括伪满军在内）为7.5万人，装备着304挺重机枪、500门多人操作的火炮、182辆坦克、300至500架飞机。8月10日，集结起来的各部队组成日军第6集团军，由获洲立兵将军指挥。他们预定，8月24日在日军占领的桥头堡整个43英里的正面发动总攻，并已修好了出击阵地。
朱可夫开始制订一项作战计划，这个计划是：突击敌军两翼，从南面和北面合围守敌，并在敌援军赶到之前迅速歼灭之。只是部队的补给有些困难，因为最近的火车站离前线460多英里。在朱可夫领导下，第1集团军群的领导干部们制订了一个由坦克、大炮、飞机和步兵互相配合的协同作战计划。苏蒙军的任务很明确：准备并实施一次决定性反攻，实现全歼侵犯边界之日军的目标。但是，苏蒙军的兵力不足以实施这一战役，因此把一些新部队从大后方调到了哈勒欣河。其中有步兵第82师和第57师、步兵第152师的一个团、坦克第6旅和空降兵第212旅以及一些炮兵团和通信部队等。飞机数目增加到151架。这些援军的到来，使苏蒙军指挥部掌握了对日军的数量优势。
有趣的是（这也显示了朱可夫的特点），朱可夫采取了一些深思熟虑的迷惑敌人的措施：
为了迷惑敌人，使敌人摸不到苏蒙军的真实意图，朱可夫使用了假情报。他命令无线电发送了有关修筑防御工事和询问施工设备状况的假消息。把一架大功率的音响设备运到前方，模拟打桩的声响，造成正在大修防御工事的逼真假象。而部队的调动一概在夜间进行。同时在夜间还出动轰炸机进行轰炸，并使用小口径火器连续进行射击，以掩盖坦克向进攻出发地域集结的嘈杂声。总攻前一连十几天，若干辆已拆除了消音器的坦克，沿着前线不停地来回开动。这样做的目的，是要使日本人越来越对苏蒙军车辆的响声习以为常，这样就会在苏蒙军进攻时完全摸不准方向。为此目的，苏军的飞机还不分昼夜不断地出动袭击敌人。
朱可夫甚至采取了一种别出心裁的做法，就是散发《战士防御须知》小册子，将其投到敌方阵地。他命令施工队不停地修筑防御阵地。把卡车的消音器拆掉，以掩护坦克的调动。飞行员进行特别侦察飞行以侦察地形，同时派出夜间巡逻队摸清敌方阵地的位置。为了帮助他进行监督和联络，朱可夫在参谋部里配备12名联络军官。在他准备下令发动进攻的时候，他已经把35个步兵营、20个骑兵连、498辆坦克悄悄部署到出发地域。坦克当中还有一些新式坦克——T－34型的前身。
为了实施包围计划，朱可夫建立了3个集群，即南部集群、北部集群和中央集群。南部集群编成内有：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、防坦克第37营和一个喷火坦克连。北部集群的编成内有：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师和防坦克第87营。中央集群的编成内有：步兵第36师和第82师、步兵机枪第5旅和两个炮兵团。朱可夫的预备队是摩托装甲第9旅和空降兵第212旅。
日军打算8月24日发动攻势，朱可夫则比日军提前四天，于8月20日抢先动手。这天凌晨5时45分，150架轰炸机对日军防御前沿、对其就近的预备队以及日军炮兵阵地实施了一次大规模空袭。接着在经过炮火准备之后，朱可夫命令部队全线冲击。一名日军士兵的日记证实了这次可怕的突然袭击。他写道：
“炮弹遮天盖地地打到我们近旁，真可怕。观察所用尽一切办法寻找敌人的炮兵，但毫无结果，因为轰炸机在轰炸、歼击机在扫射。敌人全线获胜。”
在这次反击中，有一位观察家亲眼目睹了朱可夫所表现的领导能力，后来他向鲁斯兰诺夫作了这样的描述：
朱可夫命令他的一个师进攻日军坚固筑垒阵地，整个战役的结局取决于这次进攻的胜败。可是，这个师败下阵来，损失惨重，而且被敌方火力压得不能动弹。师长打电话报告情况，并请求新的指示。朱可夫命令他再次发起进攻。过一会儿，朱可夫亲自拿起话筒，要这位师长接电话。当朱可夫得知他还没把部队拉上去时，便问：“你到底能不能开始进攻！”师长小心翼翼地表示没有把握。于是朱可夫说：“我现在解除你的师长职务。叫你的参谋长接电话。”朱可夫又向参谋长提出同样问题。参谋长作了肯定的回答。朱可夫说：“我现在任命你担任师长。”但是参谋长也未能重新发动进攻。当他向朱可夫报告以后，听到了同样的命令：“我解除你的师长职务。等待新师长的到达！”朱可夫派他的一名参谋去指挥这个师，而且派出炮兵加强了这支部队，并给予空中支援。在付出巨大牺牲之后，终于攻克了敌军阵地。他所制订的反攻计划的其余各阶段也都取得了胜利。
苏蒙军在第一天战果的基础上，继续在日军防线内顽强战斗。在南部集群的地段上，坦克第6旅和摩托装甲第8旅包围了敌军侧翼，8月21日占领了在海拉斯台音河（哈勒欣河的一个支流）南岸活动的日军后方的地域。这一天，南部集群的步兵部队深深楔入敌人主要防御地区，歼灭了敌人就近部署的战术预备队，占领了若干炮兵阵地。但是，战斗打得很艰苦，每个火力点都要强攻夺取，有时候还要出动喷火坦克。苏联飞机特别活跃，积极地支援地面部队。仅8月21日一天，轰炸机就出动256架次，投下了90多吨炸弹。
8月23日，北部集群得到空降兵第212旅的加强，终于粉碎了敌人的抵抗，夺占了帕列次高地。在激烈的肉搏战中，600名日军士兵毙命，战壕里、掩蔽部里，横七竖八到处都是日军的尸体。
朱可夫的合围计划只用3天时间就完成了，接着便开始了歼灭被围日军的战斗。8月26日，日军的一次解困企图被打退，主要是靠坦克第6旅打退的。8月27日，日军的突围企图也被粉碎了。空军部队成功地阻止了敌人向作战地区调集新的预备队。仅8月24日和25日两天，苏军飞机出动了218架次，进行了10次空战，击毁日机74架。
朱可夫是个急性子，他不允许采取将敌人团团围困，迫使其投降的消极办法，而是发动一系列进攻，不断地消灭敌人。南部集群承担主攻任务。它在8月27日发动的进攻，成功地夺取了沙山和绿色高地，扫清了海拉斯台音河南岸。与此同时，从背后和两侧对雷米佐夫高地发动了进攻，但直到8月31日才终于占领了这个地区。
在这次攻势的最后阶段，朱可夫再次表明他是个足智多谋的将领。海拉斯台青河很浅，而且到处是泥淖，敌军指望它能够保护雷米佐夫高地的南翼。但是，使日军沮丧的是，朱可夫命令工兵部队趁黑夜加固了河床，使苏军坦克部队可以从这个方向发动进攻。一天夜间，苏军坦克突然冲过河来，粉碎了日军防御，并开始巧妙地肃清孤立的抵抗据点。到6月31日晨，侵入蒙古人民共和国领土的日军已经全部被肃清。
