日本帝国陆军于1939年7月至9月间的诺门罕战役中发动过细菌战，这也是日军首次在战斗环境下用细菌武器攻击苏联与蒙古军队。由“关东军防疫部”派出的“敢死队”（由碇常重中佐指挥）和“关东军”参谋部派出的支队（由山本吉郎中佐指挥）前往苏日交战地点附近的哈拉哈河散播霍乱弧菌、赤痢菌、伤寒杆菌、炭疽杆菌和鼠疫杆菌，另外还曾以榴弹炮发射细菌炮弹。
尽管本次细菌作战对苏蒙联军的伤害极为有限、多名日军士兵还因此患病，但日军中央仍肯定了细菌战的可行性，并促使日后细菌战部队得以扩编发展。
诺门罕是位于哈拉哈河东岸的一座小村子。在1932年日本占领满洲、成立傀儡政权“满洲国”后，其与邻近的蒙古便因边界线问题发生矛盾，苏联与蒙古认为边界应为哈拉哈河东方和北方，而日本和满洲国则主张哈拉哈河即为边界，双方也因此多次在边界上爆发小规模冲突。1939年4月25日，日本“关东军”司令植田谦吉大将向各麾下师团发布《满苏国境纷争处理纲要》，命令必要时可于国境线外采取权宜性军事行动，而对于国境线不确定的地区，其地区防卫司令具有自行裁量国境线的“自主认定权”。
1939年5月4日，蒙古国第24国境警备队的马群越过哈拉哈河放牧，兴安北警备军骑兵第3连进驻锡林陶拉盖哨所的士兵开枪阻截，将蒙军赶回河西岸。11日，蒙古骑兵数十人再度过河与满洲国军交战。5月13日，驻屯于齐齐哈尔的第23师团长小松原道太郎中将便根据《满苏国境纷争处理纲要》，调集航空队、车辆和大炮等重型武器越境攻击蒙军，将其击退至河西。5月17日，苏军根据《苏蒙互助协定（日语：ソ蒙相互援助議定書）》决定参战，蒙军在苏联驻乌兰巴托的第57特别军（俄语：57-й особый корпус (1-го формирования)）增援下，于5月28日发动反攻，日军因伤亡惨重于31日被迫撤退，至此，“第一次诺门罕事件”结束。
6月19日，日军基于试探苏军实力为目的，在大举增兵后再度发动了“第二次诺门罕事件”，这次日军一度攻入哈拉哈河西岸，但在苏蒙联军强大优势的火力及装甲部队攻击下，不得不于7月5日撤回东岸。7月中旬，苏军由格奥尔基·康斯坦丁诺维奇·朱可夫上任指挥第1集团军，击退日军在7月23日的攻击。时至7月底，“关东军”第23师团已几近覆灭，但为保持颜面还是准备在哈拉哈河作持久战的准备，并在8月10日将败退部队重新编组为第6军，由荻洲立兵中将指挥。8月20日，第6军重新对苏军展开攻击，但正面的第23师团与第7师团的一个旅团遭苏军包围，于31日被全歼。到了9月初，日军因损失惨重而要求停战，“关东军”司令植田、参谋长以下幕僚皆被解职。日军记录自6月20日至9月15日，日军共15975人参战，其中4786人战死、受伤5455人、失踪639人。苏联则宣称日军共于诺门罕战役伤亡60,000人。
日军在成立满洲国后不久便在其境内修筑细菌战基地，日本细菌战部队——“石井部队”部队长石井四郎也以苏联为假想敌进行细菌战的准备，他在1938年3月时就曾亲自考察苏满边境的海拉尔，并对当地日本驻军医官们发表演说：“日苏战争只是时间问题，迟早是免不了的。现代化的武器唯一的就是细菌武器，日本对细菌战是有把握的，你们身为军医，就得在平时提高自己的业务，学习新的科学知识，一旦战争爆发，马上就能用上。”军部中央也对细菌战如何用于战地感到兴趣，在诺门罕战役开始前的1939年3月26日，日本参谋本部作战课和“关东军防疫部”召开会议，了解位于哈尔滨平房的细菌战基地研究出的实施细菌攻击之方法，出席会议的人员包括了作战课长稻田正纯（日语：稲田正純）大佐、课员井本熊男少佐、荒尾兴功少佐、防疫部的石井、北条圆了少佐、飞行员增田美保药剂大尉、增田知贞中佐等人，这场会议最终使参谋本部内部开始考虑实施细菌战。
诺门罕战役爆发后不久，“关东军”司令植田便到“石井部队”处视察，了解其实力。石井为此命令总务部庶务主任饭田大尉和6名少年队员布置了临时陈列室为植田展示，后者视察后非常满意，命令石井以“防疫给水部”名义参加诺门罕战役，并尽快制定出配合行动的方案来。石井经研究后拟定了三种诺门罕参战方案：
石井对这三个方案做了周密的布署，提出在诺门罕战场上使用已研制成功的霍乱、伤寒和赤痢等细菌，而对于鼠疫菌、炭疽菌能否达到传染没有十足把握，但还是在本次实战中进行试验，命令“敢死队”绘制哈拉哈河西岸细菌战施放点的精密地图，包括可投放细菌的河流、泉眼、湖泡、水井等目标。
对于石井的作战方案，拥有长年的谍报工作经验、现为诺门罕战场日军前线指挥官的小松进行分析后，认为三种均不可行：一、以榴弹炮射击细菌弹势必会引起苏蒙军的还击，如此一来细菌弹将可能在己方阵地爆炸，形成危害；二、用飞机空投细菌炸弹的作法难以命中目标，低空飞行投放的话细菌散播面积又太小，飞机也可能被击落，也可能落在自军阵地；三、小松认为“敢死队”难以深入苏蒙军后方进行撒菌作业，凡是有水源之处，苏蒙军必定严密把守，没有驻军的地方也是一片空旷的沙原，没有水源也没有“敢死队”生存的条件，且人员存在被苏蒙军俘虏、暴露细菌战企图的危险，也将引来其报复，另外，若日军成功攻入哈拉哈河西岸，遭污染的水源将危害己方。最后，小松与石井等人决定只在日军战败撤退时使用细菌武器，并采取“敢死队”方案，预计将使位于下游的苏蒙联军饮水染病、削减其追击的战斗力。
石井为本次细菌战将当时仅有400名的“石井部队”人员抽出了一半，以“关东军防疫班”的名义参加诺门罕战役，并分成两部分：
另一方面，“石井部队”在接获作战命令后也从6月初开始全力生产细菌武器，并在6月20日左右开始运往前线。“石井部队”第4部在早川少佐、小林准尉和渡边准尉的指挥下，将60名队员分为两班，日夜赶工在一个生产周期内将所需的霍乱、伤寒和副伤寒菌赶制出来。其中负责霍乱菌的濑户班还必须在10天内完成生产任务。技师莳田丰也要求队员田村良雄与另一名队员每天要洗150个玻璃试管，由小林在灭菌室进行灭菌消毒后交给培植班，编列13人的培值班除了负责人今野信次外，每3人为一组，用150个培养罐按时生产出6公斤的霍乱菌。另外一班抽出4名队员，使用两个大型培养罐制造10公斤的伤寒菌。田村良雄在战后也作证“石井部队”在三天内便制造了2,000多个炭疽菌炮弹，并向苏蒙军阵地射击。
7月12日，“敢死队”潜入哈拉哈河旁的松林，身着没有肩章和帽徽的黄色日本军装，卸下装备班运来的两艘橡皮船、十几个大型金属瓶、一些玻璃容器、铁桶、长柄杓、绳索和装载杂物的皮箱。队员将这些器材背在身上，沿着松林的边缘向哈拉哈河河岸前进。由于该河西岸较东岸高50米，因此东岸看不到西岸上面的状况，“敢死队”的行动并未被苏蒙军发现。“敢死队”将橡皮船充气，带上金属和玻璃制的菌液瓶等物品后便推进河内，用绳索拴在岸边的树上。
“敢死队”成员上船后向河中央划去，为防止自身受到污染，他们在逆水上行时进行撒菌作业，岸上的士兵解开拴在树上的绳索往上游拉船，船上的士兵则部分划桨部分打开菌液瓶盖，连同瓶子一起丢入河内，计行进一公里的河段内，“敢死队”共撒了各式细菌溶液22.5公斤。队上的两名军官用长柄杓皮取水样，测试水温和流速，作了实验记录和拍照。橡皮船靠岸后，队员立刻乘车返回将军庙的驻地。
7月13日下午1点30分，石井到胡鲁斯台河（哈拉哈河的上游）南岸的“关东军”步兵第71联队（日语：歩兵第71連隊）队部，通报：“不要饮用哈拉哈河的水，河水可能被污染。”接着又通知诺门罕战场各地一线的日军和满洲国军部队，水皆需经过“石井式”滤水器过滤后才能饮用。
除了碇常重少佐率领的“敢死队”外，日军还有其他部队进行过至少三次的细菌战，资料源于1989年8月24日，一名原“731部队”少年队队员于《朝日新闻》上所刊载的文章：“率领攻击部队的是关东军参谋山本吉郎中佐，攻击方式是将原菌从日军阵地的伏尔斯体河（即胡鲁斯台河）上游，流入病原菌，以使下游的苏军被感染。8月底进行第二次攻击，菌液投入成功。9月进行第三次攻击，这次有15名队员携带22至33肠伤寒菌的汽油罐，将培养该菌的胶状液倒入河中。”
日军在诺门罕战场上失利，因而使用细菌战，企图以此削减苏蒙军的战力，然而其效果不明，甚至可能毫无成效，日本细菌战历史学家常石敬一（日语：常石敬一）认为并没有对苏军造成什么伤害，他主张伤寒杆菌和其他病原体在水中会失去感染性，而这点石井等人也是知道的，只是借此机会在实战中试验。“侵华日军细菌战与毒气研究所”所长金成民则称苏军直接从后方铺设专用管线到前线供应干净的饮水，因此几乎没有病情。
然而仰赖就地取水的日军和满洲国军在得不到后方水源的情况下，有士兵便误饮了受到污染的河水，罹患伤寒、赤痢病、霍乱者据计1340人，后来这些病员被送往海拉尔的医院检查。8月中旬，由山下建次大尉指挥的检查班和10多名防疫人员对病员验便，仅一星期，日军验便次数便达8500人次，并证实其病原来自于自军投撒的细菌。至于其他负伤的5500名“关东军”士兵被送往哈尔滨至大连间的各个日本陆军医院，每座医院都有宪兵充当卫生人员进行监视，未受伤而曾被苏军俘虏者则送至吉林的特别机关受军法审判予以监禁；其余未死亡也未负伤者则遣送至偏僻地区看管。
参加诺门罕战役的“石井部队”成员也受到苏蒙军的严重打击，滤水车和榴弹炮毁损严重，另有多名队员染病，约40余人病死。不过石井的滤水器和成功执行细菌战仍被认为是功绩，因此在日军被苏军击败后唯“石井部队”受第6军司令官荻洲表扬，称：“在广漠不毛之地，时值酷暑，赤砂灼热，兵困马乏之际。石井部队甘冒枪林弹雨出入第一线，立下汗马功劳。”1939年10月2日，荻洲再为“石井部队”颁授了奖状。“敢死队”全员也在荻洲的要求下获得特别奖励，投毒的碇常重也因此晋升为大佐。1940年4月29日，石井因为诺门罕的功绩获颁功三级金鵄勋章与旭日中绶章，不久也晋升为少将。5月23日，日本《朝日新闻》报刊载了石井的照片，并报导：“特授与石井所指挥的卫生部队奖状，这是卫生部队在我国首获的荣誉。”
本次细菌战也加大了日军对细菌战研发投入的程度，诺门罕战役因为日军将领指挥不当、武器性能落后于苏联而战败，使日军深感自己的装备不如苏联，从而对于细菌武器这类新式武器更加重视，原“731部队”成员秋山浩日后写道：“在诺门罕事件中，我军察觉到不仅单纯地研究预防，反过来把这种研究利用到攻击敌人方面去也是有效果的。”换言之，本次战役同时也使日军进一步确认了细菌武器具备的攻击能力，成为日后取得上层支持的契机。1940年，日本天皇颁布敕令，将“关东军防疫部”扩编为“关东军防疫给水部”，员额从不足1000人增加至2000人。
