7月13日，由"731部队"细菌专家和骨干22人组成"玉碎部队"，携带装有细菌的容器，秘密潜入苏军防守地区，在苏军一侧的几条河流里施放了炭疽、伤寒、霍乱、鼠疫等烈性传染病菌溶液22.5公斤。
然而，就在日军紧锣密鼓地进行细菌战准备的同时，苏军情报部门也对日军的行动有所察觉。通过苏军和共产国际远东情报组织的大量谍报工作，苏军很快掌握了日军准备在诺门坎实施细菌战的绝密情报。苏军司令部向部队下发了细菌战防护命令，部队也进行了相关的教育和防护演练。针对日军准备在河水中投放细菌战剂的计划，苏军专门从后方铺设了数条输水管线，保障部队饮水安全。
由于日本当时还未解决细菌武器的一些技术问题，加之苏蒙联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的伤亡，反而是日军部队遭受了大量非战斗减员。原来，日军高层为了保守细菌战的秘密，防止苏联报复和国际社会的谴责，竟不向参战部队下发任何防护训令，参战的日军中高级军官都不知道日军会在此次作战中使用细菌武器。
