1939年5月，日本為實現入侵蘇聯的北進計劃，向位於中蒙邊境海拉爾以南200公里的諾門坎地區的蘇蒙聯軍發動大規模進攻。此次戰役，交戰雙方動用了數十萬部隊和飛機、坦克等先進裝備，進行了一場長達4個多月激烈的交鋒。
戰爭初期，日軍向諾門坎地區調集了180架飛機、90多輛坦克、13個步兵大隊共1.5萬兵力，向駐守諾門坎地區的蒙軍騎六師發起猛攻，蒙軍不敵，駐蒙古的蘇軍第57軍當即派兵支援。隨後，蘇聯迅速調集優勢兵力兵器，在名將朱可夫的指揮下發起反擊，迅速奪回被日軍佔領的陣地。僅5月27日至30日，蘇軍就殲滅日軍1個騎兵聯隊和2個步兵大隊。
為挽回不利戰局，日軍大本營卑鄙地決定在隨後的作戰中秘密使用細菌武器。1939年6月初，日本關東軍司令官植田謙吉大將緊急召見關東軍醫務隊長娓琢隆二少將、獸醫處長高橋隆篤大佐、“731部隊”訓練部長西俊英大佐等人在關東軍司令部開會，秘密商討使用細菌武器對付蘇軍的相關事宜。之後，植田謙吉下達指令，命令由石井四郎中將主管的“關東軍防疫給水部”(即後來臭名昭著的“731部隊”)和“第100”細菌部隊緊急“開赴諾門坎參戰”。
7月13日，由“731部隊”細菌專家和骨幹22人組成“玉碎部隊”，攜帶裝有細菌的容器，秘密潛入蘇軍防守地區，在蘇軍一側的幾條河流裏施放了炭疽、傷寒、霍亂、鼠疫等烈性傳染病菌溶液22.5公斤。
然而，就在日軍緊鑼密鼓地進行細菌戰準備的同時，蘇軍情報部門也對日軍的行動有所察覺。通過蘇軍和共產國際遠東情報組織的大量諜報工作，蘇軍很快掌握了日軍準備在諾門坎實施細菌戰的絕密情報。蘇軍司令部向部隊下發了細菌戰防護命令，部隊也進行了相關的教育和防護演練。針對日軍準備在河水中投放細菌戰劑的計劃，蘇軍專門從後方鋪設了數條輸水管線，保障部隊飲水安全。
由於日本當時還未解決細菌武器的一些技術問題，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，反而是日軍部隊遭受了大量非戰鬥減員。原來，日軍高層為了保守細菌戰的秘密，防止蘇聯報復和國際社會的譴責，竟不向參戰部隊下發任何防護訓令，參戰的日軍中高級軍官都不知道日軍會在此次作戰中使用細菌武器。
開戰後，日軍核心高層和細菌專家一心想得到蘇蒙軍遭受細菌戰損失的情報，但細菌戰的戰果卻遲遲沒有到來，反而接二連三地接到了己方部隊受到細菌感染的報告，一些日軍部隊因為喝了當地的河水而成建制地喪失戰鬥力。此時，日軍高層官僚和所謂的細菌戰專家才意識到他們搬起石頭砸了自己的腳，慌忙向部隊下達不準飲用當地河水的命令，還把細菌戰的屎盆子扣到蘇軍頭上。
然而日軍的防護命令對不少部隊來説已成了馬後炮。在蘇蒙聯軍的猛烈打擊下，不少潰敗的日軍部隊並沒有接到不準飲用戰區河水的命令，一些逃命的士兵在極度乾渴飢餓的情況下見到河流，立即捧起河水一頓痛飲，結果立刻成了細菌戰的犧牲品。
殘忍的日軍高層為防止細菌戰的秘密被這些士兵泄露，進而引起國際社會的譴責和蘇聯的報復，竟下令將所有感染細菌的傷病員集中起來，命令日軍憲兵部隊對其進行“秘密處理”，最後毀屍滅跡。
據戰後日本關東軍軍醫部的數據統計，日軍前線部隊有1300多人因感染細菌死亡。為掩人耳目，日軍將這些細菌戰的犧牲品稱為“病因不明的死亡”。作為報復，日軍將大批在諾門坎之戰中被俘的蘇蒙聯軍士兵送進細菌戰部隊進行人體試驗，製造了一幕幕人間慘劇。
二戰結束後，蘇聯將遠東戰役被俘的關東軍司令官山田乙三、醫務隊長娓琢隆二、獸醫處長高橋隆篤、“731部隊”訓練部長西俊英等12名細菌戰犯送交遠東軍事法庭予以起訴，追究其在諾門坎進行細菌戰的罪行。“731”魔頭石井四郎戰後逃回日本，投靠美軍情報部門，以提供細菌戰資料為條件，換取美軍對其免於起訴，逃避了歷史的懲罰。而日寇細菌戰的其他戰犯和日本在中國其他地區犯下的細菌戰罪行，至今也未得到清算。