1939年6月19日深夜，鑑於「偽滿洲國」和蒙古人民共和國之間的邊境衝突愈演愈烈，蘇軍也正在「滿」蒙邊境附近增兵集結，並已經開始對日軍集結地展開空襲。日本關東軍總部對下屬部隊進行了緊急動員，準備直接進行軍事幹預，奪取哈拉欣河西岸地區。吉丸清武大佐的戰車第3聯隊（相當於團）和玉田美郎大佐的戰車第4聯隊接到了調往諾門罕的緊急命令，他們將要充當「安岡支隊」的中堅力量。6月21日，這兩個戰車聯隊開始裝車進行鐵路行軍，先運往阿爾山火車站，再履帶行軍趕赴諾門罕以北的集結地。23日，玉田美郎下令對車輛進行技術維護，做好越野行軍的準備。之前的降雨讓諾門罕一帶變得泥濘，道路也不堪使用。雨後灼人的烈日炙烤著草原，氣溫高達30餘度，坦克發動機過熱的狀況頻發，等到這兩個戰車聯隊磕磕絆絆地掙扎到集結地的時候，已經比原定的到達日期晚了兩天。
在諾門罕一帶休息的日軍裝甲兵，近景為一輛89中戰，稍遠處可見一輛97中戰。戰車第3和第4聯隊一共只有4輛相對新銳的97中戰——事實上，該型坦克已經是交戰雙方最為「重型」的戰鬥車輛了。之前有「資料」稱蘇軍派出了T-28坦克（還有更為離譜的說法，T-34什麼的全出來了），完全是無稽之談。諾門罕戰役中，日軍裝甲部隊的對手是蘇軍的T-26和BT系列輕型坦克，以及坦克旅用於偵察的重型裝甲汽車，雙方也沒有爆發什麼駭人聽聞的「坦克大戰」。關東軍計劃先發制人，強渡哈拉欣河，但河水的深度超過了他們的預期，坦克無法涉水開到對岸。由於日軍的通訊技術低劣，玉田只得設法過河趕上大部隊，與他們取得聯繫。6月29日，日軍偵察機發現蘇軍正在從邊境線一帶向後撤退，但戰車第3和第4聯隊由於行軍距離過遠，燃料儲備已經不足，只能在罕達蓋的農場裡待命。30日，兩個戰車聯隊集中部分作戰單位追趕蘇軍。大約上午9：00時，玉田的好友，戰車第9中隊的北村大尉報稱與蘇軍發生交火，一輛95輕戰被蘇軍45mm反坦克炮擊毀，倖存乘員聲稱炮彈飛行速度極快，在看到炮口焰之前，炮彈就已經擊中了坦克。日軍在6月30日的戰鬥當中繳獲的蘇制53-K 45mm反坦克炮，對於30年代的薄皮坦克而言，該炮堪稱「威力巨大」。
玉田命令其餘車輛趕上第9中隊，12：30時，戰車第4聯隊大部與第9中隊會合，玉田又要求第9中隊繼續推進，對正在後撤的蘇軍實施穿插，其餘單位做好進攻準備。蘇軍坦克第11旅的8輛BT坦克、3輛裝甲汽車和一門45mm反坦克炮對進攻的日軍坦克進行了遲滯作戰，其餘的蘇軍則趁亂撤到日軍觀察範圍之外。雙方一直交戰到下午2：30，蘇軍的那門45mm炮被日軍坦克擊毀，這是蘇日兩國裝甲部隊的第一次交鋒——玉田意識到，阻攔他們前進的並非蘇軍主力，只是一支偵察分隊。相較於日軍，蘇軍的技術裝備無論是數量，還是質量都處於領先地位，後面的戰鬥肯定會更加艱難。戰鬥結束之後，玉田的坦克停在原地一邊補充燃料，一邊等待後續進攻部隊跟上來。吉丸大佐的戰車第3聯隊和步兵第64聯隊協同作戰，進攻戰壕之後的蘇軍炮兵陣地。戰車第3聯隊先是隱蔽在一處湖泊附近，等待偵察機在他們右翼的蘇軍防線上找出弱點，之後再向那個方向進攻。然而老天卻沒有成全他們，天降暴雨，各中隊無法協同出擊，直到第二天8：00，吉丸的聯隊才開始攻擊蘇軍防線右翼，玉田也在左翼發動攻擊，已經就位的日軍炮兵對三個聯隊的進攻行動進行了火力支援。吉丸麾下兩輛97中戰的行走裝置把蘇軍提前布置的鋼琴弦卷了進去，動彈不得，其中一輛被蘇軍45mm反坦克炮擊毀，另一輛的車長古賀大尉使用炮塔後向機槍掃射蘇聯步兵，堅持了一個半小時之後，機槍彈藥告罄，古賀打開艙門，使用手槍繼續射擊，很快就被蘇軍擊斃。吉丸等人的坦克擊毀了一些蘇軍坦克和裝甲汽車，一些試圖用手榴彈摧毀日軍坦克的蘇軍步兵也倒在了機槍火力之下。戰車第3和第4聯隊雖然成功奪取了蘇軍陣地，但步兵第64聯隊卻沒能及時跟上來。僅靠坦克是無法守住陣地的，晚上10：30左右戰鬥結束後，日軍坦克只能放棄陣地撤回。戰車第3聯隊一共只有4輛新銳的97中戰，其中兩輛已經在戰鬥中損失。兩個聯隊的坦克加起來雖然有90餘輛，但絕大部分都是老舊的89中戰和脆弱的95輕戰（還有少量更加不堪的「豆戰車」），性能比蘇軍坦克落後太多。日軍在諾門罕戰役結束後進行了實驗，重現了戰鬥中坦克行走裝置被鋼琴弦纏繞卡死的情況。鋼琴弦本質上是一種用經過熱處理的高碳鋼製成的彈簧線，直徑很細，韌性和強度極高，一旦繃直布置在草叢之中就很難發現。重量輕，動力弱的日本坦克是無法碾斷鋼琴弦的。由於炮塔空間狹小，且需要保證火炮具備左右擺動一定範圍的能力，很多型號的日本坦克都只好把炮塔機槍放在炮塔後方，形成了獨特的梨形結構。
吉丸和玉田只得在步兵缺席的情況下制定下一步的作戰行動——吉丸提出由他的部隊正面進攻蘇軍陣地，玉田在右翼支援，但蘇軍的重炮火力可不是鬧著玩的，正面死磕簡直形同自殺。萬般無奈之下，玉田想出了利用地形迂迴進行夜襲的辦法，結果遭到了很多下屬的反對。玉田堅持稱，如果在白天實施進攻，那麼就很有可能「全員玉碎」，大家這才同意按照玉田的計劃行事。7月2日晚上11：30，兩個戰車聯隊在夜幕的掩護下出擊，為了避免過早驚擾蘇軍，各車儘量低速行駛，試圖將噪音減小到最低水平。指揮官們要求部下接近到距離目標十米的距離再開火，野戰炮是最為優先的目標——這一天晚上雷雨大作，完全蓋過了日本坦克發出的噪音，他們順利接近了蘇軍陣地。一道電光裂長空，昏昏欲睡的蘇軍突然發現敵人已經近在咫尺，日軍坦克衝上去接連開火，蘇軍陣地上頓時亂作一團。雖然夜襲非常順利，但夜間的通訊指揮非常困難，日軍的燃料也所剩不多，而蘇軍的增援部隊也隨時可能趕來。玉田他們決定見好就收，砸完場子之後趕緊撤退，不宜久留。事後經過清點，日軍一共摧毀了20輛蘇軍坦克、10輛裝甲汽車、20輛卡車以及數量差不多的火炮，本身僅損失一輛95輕戰。藝術家後來繪製的夜襲場景，日軍7月2日的這次夜襲堪稱經典戰例。被日軍95輕戰37mm主炮擊毀的蘇軍BT-5坦克，由於裝甲鋼材質量不佳，命中的穿甲彈導致炮塔側面裝甲發生了崩解和開裂現象。
天亮之後，吉丸認為夜襲已經極大削弱了蘇軍實力，在步兵仍未到場的情況下再次貿然發動進攻，然而他卻忘了蘇聯援軍可能已經到達戰場的事情。戰車第3聯隊在進攻中遭到蘇軍坦克與火炮的集中射擊，13輛坦克喪失了戰鬥力，吉丸也命喪當場。蘇軍損失BT坦克3輛，反坦克炮8門。冒失的日本人又一次栽在了鋼琴弦上面，被鋼琴弦纏住履帶的坦克就是個活靶子。蘇軍雖然給日軍造成了嚴重損失，但卻沒能守住陣地，攻佔陣地之後，日軍對受損的坦克進行回收。日軍步兵這時也趕了上來，佔據了陣地，這多少讓精神高度緊張的日軍裝甲兵們鬆了口氣。97中戰裝備的97式57mm戰車炮，設計目的是用來支援步兵，反坦克能力糟糕。被日軍技術人員回收修理的吉丸大佐座車（97中戰），該車履帶被鋼琴弦纏住，裝甲遭到蘇軍45mm火炮射擊貫穿，乘員全體陣亡。
吉丸座車的炮塔被從車體上移除，豎著放置在地上。一枚45mm穿甲彈擊穿了車長指揮塔左側位置，彈頭破片殺死了吉丸清武。7月4日早上7：00，蘇軍出動19輛坦克（BT與T-26），20輛裝甲汽車和500餘名步兵，試圖奪回陣地。日本裝甲兵已經意識到自己的坦克火力不如蘇軍的45mm炮，於是調整了戰術，把車體隱藏在稜線以下，只露出炮塔迎敵。戰至下午4：00，蘇軍進攻部隊退去，十餘輛坦克和裝甲汽車被日軍擊毀，日軍方面只損失一輛89中戰。之後日軍得到命令向後撤退，構築新的防線，兩個戰車聯隊繼續採用反斜面潛伏戰術支援。接下來幾天裡,蘇軍繼續向日軍發動進攻，並不斷增強打擊力度，日軍實力持續消耗，且無法得到後備力量的補充和支援。戰鬥進行到第5天時，日軍防線再也支撐不住，被蘇軍迅速瓦解。在關東軍炮兵火力掩護下，兩個戰車聯隊的殘部脫離戰鬥，撤下前線進行休整和補充。上級認為裝甲部隊撤離戰場會導致步兵失去支援，玉田因此遭到了關東軍司令部的嚴厲批評。實際上，戰車第3和第4聯隊在諾門罕的表現堪稱出色，在數量、質量均落後於蘇軍的情況下，依然取得了不錯的戰績，體現了裝甲部隊的價值所在。然而，日軍的戰略失誤和步坦協同不利也極大地阻礙了裝甲部隊的發揮，兩個聯隊長時間與步兵脫節、無法有效佔領陣地、以及車輛人員損失居高不下也嚴重挫傷了部隊士氣。裝甲部隊脫離戰鬥的無奈之舉受到了步兵指揮官們的鄙視，他們認為裝甲部隊的坦克一無是處，只要胡亂布置一些鋼琴弦就可以把坦克悉數消滅；一些軍官更是認為，即便是已經輸掉了戰鬥，他們的步兵部隊也會堅持到底，但裝甲部隊發現情況不對就開溜了。諾門坎戰役中，日軍裝甲部隊蒙受了慘重損失，如玉田的戰車第4聯隊損失89中戰4輛，95輕戰32輛，僅剩下12輛坦克（89中戰、95輕戰、94輕戰各4輛），人員也有不少傷亡。但是，這場戰役的損害遠勝於裝備人員層面。戰役結束後，以裝甲力量為核心構建摩託化部隊的思路被日軍放棄，坦克淪為了步兵的附庸，配合步兵戰術支援步兵作戰，步兵對裝甲部隊的偏見也由此產生，並一直持續到二戰結束。7月3日的戰鬥當中，日本戰車第4聯隊的一輛97輕戰被蘇軍繳獲，後來送到庫賓卡試驗場進行研究。
哈拉欣河的囚徒：蘇軍對日本95式輕戰車的測試與評估