8万兵力，布置了三道防线。
从总体来看，俄军的兵力占优，但分散在三道防线上，而且将4o%兵力作为预备队布置，因此实际上投入一线战场的俄军兵力不足1o万，第一道防线上的兵力更是不到6万人。相反日军却不留任何预备队，孤注一掷把全部兵力一次性投入战场，虽然在总兵力上处于劣势，却在局部上形成了优势兵力。
8月24日，日军以第1军率先向俄军第一道防线的左翼动进攻，吸引俄军注意力；8月26日，以第2、4军迂回攻击俄军右翼。俄军统帅库罗帕特金担心俄军有被全部包围的危险，于是下令放弃第一道防线，全线撤至第二道防线防守。
攻克了俄军的一道防线之后，日军的士气大振，第8月3o日，日三个军全部兵力同时俄军阵地起进攻，全军拼死冲锋，并于9月1日攻占官屯、馒头山等一系列战术要点，9月2日俄军动反击，一度曾收复馒头山，但日军随后展开反攻，俄军失利，馒头山再度失守。
虽然这时俄军的第二道防线也己失守，但日本己拼尽全力，并且遭到重大伤亡，而且又没有预备队，无力再动进攻，但日军士兵在战斗中混不畏死的勇敢冲锋，让库罗帕特金感到了巨大的压力，因此造成了判断失误，在9月3日决定放弃辽阳退守奉天，这也让日军得到了一个意外之喜。其实一直到辽阳会战结束，俄军大部分预备队都未投入战斗，兵力上的优势没有得到充分挥。
而这场战役日军伤亡23533人，其中阵亡5557人；俄军伤亡17912人，其中阵亡失踪3611人；因此出现了战争史上极为怪异的一面，获胜一方的伤亡竟然大于失败的一方。
在辽阳会战后，日俄两军大体上在奉天与辽阳之间的沙河地区形成对峙。至9月底，俄军己聚集了22万兵力，而日军尽管多次在国内进行了总动员，补充兵员，但毕竟国力不足，仅仅只恢复到战前的13万兵力，因此于是居于劣势兵力的日方决定在沙河地区转入防御，等待第三军攻克旅顺之后，北
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