一九三八年七月十五日，累升至步兵大佐，同时任关东军第二十三师团第二十三步兵团步兵第六十四联队联队长。一九三九年五月十三日，即
诺门坎事件爆发后第三天，山县便根据师团命令派出第一步兵大队侵入外蒙古。二十七日晚，山县率主力进入战场，向苏蒙阵地发起猛攻。至次晨，弹药消耗殆尽，运输队又被苏蒙军迂回包抄围歼，作战艰难。二十九日晨，苏蒙军转入反攻。至六月初，形成胶着状态。七月二日，日军组织的四万余人的大反攻开始了，苏蒙军作风顽强，山县率部多次冲锋后，损失惨重。七月二十三日，经过长达半个月的准备，关东军再次组织起八万余人的大规模的反攻，死伤无数后，攻势仍然受挫。七月二十五日，关东军被迫全面转入防御。进入八月以后，战局愈加对关东军不利。八月二十日，苏蒙军组织四倍于日军的坦克、装甲车，两倍于日军的飞机、大炮和重机枪，八万余人的兵力向日军发起最后的猛攻。