30 июля японский армейский генштаб предоставил командованию Корейской армии право «применять силу в случае незаконного нарушения границы советскими войсками в районе высоты Чжангуфэн». 31 июля японское командование сосредоточило против высот Заозерная и Безымянная силы целого полка, поддерживавшегося многочисленной артиллерией. Внезапным ударом японцы сбили с высот наряды пограничников и силы поддержки в составе двух батальонов 40-й дивизии, отбросили их от границы на глубину до 4 километров и вышли на рубеж населенных пунктов Пакшехори и новоселки северо-восточнее озера Хасан. Однако утром 1 августа японцы оставили занятый рубеж и отошли на высоты Заозерная и Безымянная, где стали поспешно возводить полевые укрепления. Высоты они считали своей территорией и захватывать явно чужую землю не хотели, хорошо понимая угрозу возникновения нового «инцидента».

В тот же день в штаб 40-й стрелковой дивизии прибыл Мехлис, который своим вмешательством в работу штаба внес еще большую неразбериху в управление войсками. Тем временем подход частей 40-й и 32-й дивизий и 2-й мехбригады задерживался из-за прошедших накануне ливней, которые превратили в непроезжее состояние единственную грунтовую дорогу, ведущую к району боевых действий.

Неподготовленный штурм японских позиций с ходу наличными силами в течение первых дней августа результатов не дал и только привел к неоправданным потерям. Все атаки пехоты и танков проводились в лоб, так как с начала конфликта приказом Москвы было строго запрещено переходить линию границы и вести огонь по сопредельной территории. Кроме того, нарком обороны Ворошилов, опасаясь ответных ударов, до 1 августа не разрешал использовать авиацию. Только после того, как командующий ВВС фронта комбриг Павел Рычагов доложил в Москву о перебазировании на ближайшие к району конфликта аэродромы более 250 истребителей и 160 бомбардировщиков, было разрешено нанести бомбо-штурмовые удары по высотам и огневым позициям артиллерии противника, препятствовавшей подходу частей 39-го корпуса к району боевых действий.

Захватив Заозерную и Безымянную, командование Корейской армии посчитало свою задачу выполненной и поэтому японцы, действуя по дипломатическим каналам, стали добиваться прекращения огня, надеясь оставить за собой захваченные высоты. Однако советская сторона в ноте протеста, врученной министру иностранных дел Японии Угаки 2 августа, в качестве первостепенного условия урегулирования конфликта поставила отвод японских войск с советской территории. На это японская сторона не шла, и бои в районе озера Хасан продолжались.

Подтянув силы 39-го корпуса, советское командование 6 августа начало операцию по освобождению занятых японскими войсками высот. 3 августа приказом Ворошилова начальник штаба фронта Штерн был назначен командиром 39-го корпуса, а Блюхер был фактически отстранен от руководства операциями советских войск у озера Хасан, и 7 августа ему было приказано вернуться в Хабаровск.

Упорные бои за высоты продолжались до 10 августа. В результате решительных действий советских войск японцы были изгнаны с советской территории. Группировка противника, сосредоточившаяся у границы севернее озера Хасан, нарушить границу не осмелилась. Советские войска потеряли убитыми и умершими от ран 569 человек, ранеными – 2761 человека. Особенно большие потери были в танках: 24 уничтожено, 56 подбито и повреждено.

В конце августа в Москве состоялось заседание Главного Военного Совета, на котором были подведены итоги боев у озера Хасан и сделаны соответствующие выводы. На заседании было отмечено, что эти события явились всесторонней проверкой мобилизационной и боевой готовности войск Дальневосточного фронта, которая вскрыла целый ряд серьезных упущений в подготовке войск, штабов и командно-начальствующего состава фронта. В числе главных недочетов были отмечены неподготовленность выхода войск в район боевых действий по боевой тревоге, низкий уровень тактической подготовки. Все рода войск, особенно пехота, обнаружили неумение действовать на поле боя, сочетать огонь и движение, применяться к местности, что вело к неоправданным потерям. Отмечалось и неумелое использование общевойсковыми командирами танков и авиации.

Главным виновником всех бед был объявлен командующий войсками фронта Блюхер, якобы занявший «пораженческую» позицию и потворствовавший «врагам народа» и «заговорщикам», осуществлявшим свою «преступную работу по дезорганизации и разложению войск Дальневосточного фронта». Вскоре после заседания Главного Военного Совета маршал Блюхер и его брат военный летчик капитан Блюхер были арестованы и после жестоких пыток в ежовских застенках уничтожены. В конце ноября 1938 года, когда Блюхера уже не было в живых, Ворошилов на одном из заседаний Военного Совета назвал его заговорщиком, врагом Советской власти и «конченой сволочью», якобы собиравшейся вместе со своим братом удрать на самолете к японцам.

Аресты на Дальнем Востоке продолжались. В этом отношении весьма характерно донесение нового начальника Управления НКВД по Дальневосточному краю Ежову: «Операцию по изъятию белогвардейско-кулацкого элемента продолжаем… Всем областным управлениям НКВД даны указания немедленно арестовать и приступить к допросам всех лиц, проходящих по делам и заподозренных в диверсиях».

Осенью 1938 года управление Дальневосточного фронта было расформировано, а из его войск созданы 1-я и 2-я Отдельные Краснознаменные армии со штабами в Ворошилове и Хабаровске. Командующим 1-й ОКА был назначен комкор Штерн, 2-й ОКА – комкор Конев.

На приморском направлении были приняты дополнительные меры по укреплению границы и подготовке театра военных действий. На приграничных командных высотах размещались постоянные гарнизоны, началось строительство стратегической железной дороги к Посьету, расширялась аэродромная сеть Приморья. Из уроков хасанских событий были сделаны соответствующие выводы.

Квантунская армия, по свидетельству японского советника при администрации Маньчжоу-Го Хосино, в период событий у озера Хасан вела себя «благоразумно» и не пыталась идти на обострение обстановки на других участках советско-маньчжурской границы. И все же, хотя хасанские события, по мнению Хосино, явились серьезным предупреждением для императорской армии, никто не сделал из этого надлежащих выводов, что стало одной из причин сокрушительного поражения Квантунской армии в степях Монголии осенью 1939 года.

Антикоминтерновский пакт был заключен, и в обеих столицах начали подготовку к дальнейшему военному сотрудничеству. Первыми поняли все выгоды заключенного соглашения (секретного приложения к пакту) обе разведки. У абвера появилась возможность получить подробную и достоверную информацию о вооруженных силах СССР за Байкалом, на огромной территории Восточной Сибири и Дальнего Востока. Разведывательный отдел японского генштаба получал подробную информацию о вооруженных силах СССР, расположенных в европейской части страны, мощностях военной промышленности в этом регионе, и в первую очередь авиационной и судостроительной. В столице островной империи очень интересовались работой ленинградских и николаевских судостроительных заводов, строивших малые подводные лодки и торпедные катера, предназначенные для усиления Тихоокеанского флота.