1905年2月，已经在战争中接连取胜、占据主动权的日本军队，准备从旅顺大举北上，向盘踞在奉天的俄军发动进攻。奉天是沈阳的旧称，该地的俄军为了阻挡即将来犯的日军，集结了三个集团军约30万人，配备1494门各种口径的火炮，在奉天以南150公里处构筑阵地组织防御。2月中旬，日军也在沙河一带集结完毕，做好了进攻的准备。

2月22日，日军向俄军发起进攻，奉天之战爆发。这次会战日军的指挥官为大山岩元帅，其战斗序列为第一军司令官黑木为帧大将，下辖近卫师团、第二、十二师团，近卫后备第五旅团，后备第十三旅团，后备独立野炮兵第一大队。

第二军司令官奥保巩大将，下辖第三、四、六、八师团，后备第一、八、十四旅团，骑兵第一旅团、野战炮兵第十三联队，后备独立野炮第二、三、四大队。

第三军司令官乃木希典大将，下辖第一、七、九师团，骑兵第二旅团，野战炮兵第二旅团。

第四军司令官野津道贯大将，下辖第五、十旅团，后备第三、十、十一旅团，第三师团后备工兵第二中队，野战炮兵第一旅团，该部的十三联队划拨到第二军的战斗序列。

鸭绿江军司令官川村景明大将，下辖后备第一师团，后备第十六旅团，后备第59联队，徒步炮兵第一独立大队。

虽然新组建的第五军与北上的第三军极大地增强了日本满洲军的实力，但对比俄南满军团，日军兵力仍有显著差距。为了尽量分散俄军的势力，在大约1个月时间内，日本发动间谍四处造谣，表示有人发现日第三军正在向海参崴方向运动、秋山好古的日骑兵第1旅团正准备向俄军后方交通线发动破袭等等。种种传闻之下，本就疑心甚重的库罗帕特金在分出一部分兵力加强四平至奉天的铁路线防御的同时，也格外重视起俄军左翼的动向。而奉天会战的失败，也由此开始。

2月18日拂晓，东线的日第五军部分部队开始朝着俄军部署于山峦地区的守军发起进攻。23日，暴风雪降临，日第五军全军顶风冒雪从太子河上游山区北进，在第一军右翼部队的支援下，开始向俄军第一满洲集团军侧翼攻击渗透。27日，日军攻破清河城，库罗帕特金原本对这一地区并不重视，因为战线这一段地形多山，不易于大部队展开机动。但当27日清河城失守的报告被送来后，他就再也坐不住了。

在即将大祸临头的预感下与“恍然大悟”的思虑之下，库罗帕特金当即下令从总预备队中抽调出1个旅去加强战线的左翼，避免第一军在“日军精锐山地军团”的打击下溃败。在之后的几天内，日第五军继续在东线山区对俄军发起持续攻势，不断进逼。种种情报最终使库罗帕特金判断，日军正对其左翼发动打击攻势。随后他下令将第十六军悉数遣往东部战线，协助第一满洲集团军守备地区，以阻击日军的攻击势头。

然而，这一举动正中日军下怀。因为第一军的任务，只不过是诱敌而已。

27日，在第五军成功诱使俄军投入预备队主力之后，第三军协同第二军开始对俄军右翼发起进攻。27日中午，当得知乃木希典的部队出现在战场另一侧后，库罗帕特金陷入了两难的境地。此时俄军防线正面宽度约一百公里，全防区宽度达155公里之多。防线两翼以中长铁路为基准，部队调动全靠马匹与双脚，所以从左翼重新集结兵力复又投入到右翼需要两三天的时间。而在此之前，能用于充实右翼的兵力只有可怜的8个营。

28日，日军中路开始发动牵制作战。全军的攻城重炮在此集结，集中火力轰击俄军在奉天外围的工事。在旅顺摧毁了俄军舰队的280毫米臼炮也及时赶到参加了战斗。不过，由于弹药不足且射速缓慢，这些重型攻城炮只断断续续射击了一个上午便停止，虽然未对俄军造成太大的损害，但这些巨炮轻易击碎重型地堡顶盖的惊人威力，却摧毁了守军本就不甚坚定的抵抗意志。防线上的俄军不断向上级要求撤退。

正面也受到威胁的库罗帕特金只能采取拆东墙补西墙的做法，不断调动部队应对日军出其不意的攻势。一时间，俄军官兵疲于奔命，开往不同方向的部队将后方的道路挤得水泄不通。到了3月5日，俄军在右翼的兵力才基本到位。两军在奉天西北的洪屯激战，日军第5旅团原有的4200人，到3月6日夜就只剩下400多人还能继续作战。秋山好古组织的日军骑兵主动出击，不断攻击俄军侧翼，最终迫使其放弃进攻。

3月7日，奉天会战进入了最后的阶段。

在乃木希典的率领下，第三军继续向北迂回，其前锋一度将铁路切断。补给线受到威胁的俄军再次集结了40个营的兵力和上百门火炮，向第三军正面的第一师团发动强攻。和俄军接触数分钟后，日军便发生了溃败，由于连日征战的疲劳，士气尤其薄弱。和俄军接触几分钟后便放弃阵地四散逃跑。一支部队的退却很快就演变成了第一师团的总崩溃。

下午5点，第三军司令部临时组建的督战队在枪决多名私自逃跑的士兵后勉强稳住了防线。但乃木希典明白，现在的第三军已经不是旅顺那支训练有素，视死如归的第三军了。事实上也确是如此，因为原本构成该军的精锐士兵，早已被他自己葬送在了旅顺要塞的铜墙铁壁之前。现在构成第三军的，只不过是一个番号、一面军旗，以及一群被征调来的老弱残兵而已。尽管只要再前进2公里就可以切断俄军的退路，但自身难保的第三军此时只能选择防守。这是日俄战争中日军的第一次，也是最后一次成建制的大规模溃败。在战后发行的官方战争史里，这一事件被完全略过不提。具体的情况在二战后才渐渐被人们所知。

右翼的危机暂时得到了缓解，但俄军左翼此时却发生了异常的情况。3月7日，库罗帕特金一度命令俄军左翼后退收缩防线，以腾出兵力支援右翼。日军在东部的兵力较为薄弱，一直没有太大的进展。然而敌人却在此时主动放弃阵地后退，这一点让日军喜出望外。放弃了沙河前线的俄军试图依托浑河天险防守，但此时河冰尚未完全解冻，日军在探明了一段坚固的冰面后便连夜渡河继续进攻。俄军措手不及，连连败退，日军在战场另一侧也渐渐取得了优势。

当俄军总司令库罗帕特金得知后方出现了日本数千骑兵，害怕退路被切断，立即下令各军后撤到浑河一线。参谋建议派出预备队将数千日军击退即可，库罗帕特金予以拒绝，随后下令司令部撤出奉天。

3月9日，风沙漫天，俄军全线撤退。深入敌后的秋山支队看到大批撤退的俄军非常不解，因为日军虽然发起强攻，但并不占据上风。因为俄军的忽然撤退，这次奉天之战日军侥幸获胜。

10日，日军进驻奉天。清帝国百姓在门前悬挂膏药旗，“欢迎”另一个邻居强占自己的家园。

16日，日军占领铁岭。而俄军早已经于三天前将铁岭县城付之一炬，继续撤退。

奉天之战，俄军伤亡6.7万人，被俘2.2万人；日军伤亡6万余人。21～24日，俄军退守四平一线，直至战争结束。

但是尼古拉二世仍然不甘心失败，调动了太平洋第二舰队妄图支援四平的沙俄军队，由此对马海战一触即发。