俄军在占领辽阳之后，在最外围修筑了3道防钱，修筑有野战工事，并设置有障碍物。在外围防线的背后，则是以城池为核心修筑了大量的城防工事。俄国在城外围铺筑了纵横交错的道路，沿道路修建碉堡群。以碉堡为中心的防御阵地进驻步兵和火炮，可向各个方向射击。碉堡周边开挖的堑壕，壕内布满木桩、铁丝网、地雷。在堑壕的外围，又以铁丝网、地雷构建了阻拦防线。各个碉堡阵地之间设有通道，增援的士兵、火炮可快速通过。俄军还在太子河等数处设置了炮群，可为前方的碉堡阵地提供火力支持。

8月中旬，俄旅顺舰队突围失败及浦盐舰队受到重创，日方海上运输的状态大为改观。为保障陆路补给的而修复或新建大连到瓦房店等铁路亦勉强可以使用，日军补给困难的局面得以一定程度上改善。已进至海城的满州军总司令部遂决定发动辽阳战役。

在连续数次推迟后，八月下旬，日第一、二、四军陆陆续续在向俄军的外围3道防线发动进攻。俄国人并未表现出寸土必争的决定，反而节节后退，退回到城防工事之内。

8月30日，日军三个军先后发动攻击，向俄军的首山堡诸阵地发动。俄国依仗火炮、机枪构成凶狠的火网，将日军死死钉在阵地前，不能前进一步。在高桥方向，日军一支进攻队伍在俄国人机构火力的狂扫之下，10分钟之内全部战死，无一生还。

日军见状，遂集中炮兵火力与俄国炮战。俄国人也集中了两个军的配属炮兵，猛轰敌炮。日炮兵损伤惨重，慌不迭的频频转移阵地，对步兵的支援火力顿时弱了下来。失去了炮兵支援的步兵固然仍不玩命地向上冲，却一次又一次的被打了下来。

战至当晚深夜，除了日第一军占领了早饭屯一带的阵地外，日二、四军均无进展。

31日，日二、四两军继续发动进攻，仍无进展。由于兵力损失过大，炮弹亦几乎全部打空，这两个军已暂时失去了作战的能力。

这一天下午，日第一军第十二师团几乎在没有什么抵挡的情况下，由镰刀湾渡过太子江由右翼向俄军迂回，梅泽道治指挥的近卫后备混成旅团与俄军的守备部队接上了火。

库罗巴特金见日军有截退已方退回之势，大为紧张，命令各军抽调部队加强太子河防线。俄各军竟然放弃日本人未能撼动一分一毫的堡垒，再次后退，日军顺顺当当地接收了首山保等阵地。

九月一日至三日间，日二、四两军继续向辽阳城南防线进攻，毫无进展，“无术可施”。冒险渡过太子河的日第一军就象一头撞到了马蜂窝里的冒失鬼，被蛰得满头是包，虽攻下了馒头岭和五顶子山一线，防守殊是不易。鉴于第一军有被包围的危险，日军决定将部队撤回太子河左侧，再谋他法。

可就在日军撤兵之前的二个小时，库罗巴特金向各军下达了命令：撤出辽阳，退向奉天！

库罗马特金之所以下达这道莫明奇妙的命令，据说是因为部队伤亡太大，士气低落，又担心被日军截断退路。然而，在辽阳会战中，日军死伤人数为23615人，而俄方是17900人左右，俄方伤亡大，日方更是困难；两方攻防胶着，士气都不会高到那里去，此战日方俘虏俄军不过几十人而已，也足见其军心士气并非到了不可战的地步；俄方兵力占优、火力战优，又有守方的有利条件，完全可以抽出强有力的兵团，采取动态防御，及时对日一军进行反击的——事实上，日军已经担心俄国人这么做了——故此，所谓的伤亡、士气、敌军的迂回，都不是什么充分的理由，不过是因为库罗马特金本人的战斗意志被大山岩给压跨罢了。

于是，十几万的俄军就这样不光彩地北撤，把重镇辽阳拱手共让于日本人。

9月4日凌晨时分，日第五师团进入辽阳城。大山岩对如此大的伤亡数字心有余悸，士兵亦疲惫不堪，弹药粮秣亦基本耗光，遂下令各部在占领防守阵地后就地休整，北线的战斗暂告一段落。

就在日军向北线攻击的时候，日第三军向旅顺的攻击也展开了。

7月12日，日海军军令部伊东佑亨会见山县有朋，提出攻打旅顺的要求。日陆军跟海军虽然对不上眼，却也知道占领旅顺对陆战的胜负至关重要，遂大山岩组织有力的部队，占领旅顺。大山岩则是层层分包，把任务包给了乃木希典。乃木希典无人可转，只好噼里啪啦地打了一下算盘：这样吧，八月底拿下旅顺！

7月26日，第三军三个师团（补进了大岛久直的第九师团）及其它配属独立部队约五万人向旅顺外围的大孤山等阵地展开扫荡。在3天多的阵地战中，日军损失战斗兵员2800余人，俄军死伤1500多，剩余的人员退回旅顺防线内。

俄国虽早在1898年就“租借”了旅顺，却在1900年才实施10年期的旅顺要塞建设方案。在头四年中，俄国人花了以十万吨为单位的钢筋水泥，共修建了海岸炮台22处，部署岸部123门；后方的陆地防线修建了20公里的弧形防线，有堡垒40座，炮台48座，有各式火炮600余门——这个规模，虽然说离要塞化还有一定的距离，可也足够让日本人喝上一壶的了。

当然，旅顺的俄军也有着自家的难题。由于旅顺俄军在陆路已被日军切数，水路又出不去，粮秣炮弹都极为不足，平均每门炮的炮弹不过400来发，打一发就少一发，若是没有友军来解围的话，陷落是迟早间的事。

颇时负责旅顺防卫任务的为西伯利亚第四师（师长是已经露过一小脸的福克）和第七师（师长是康特拉琴柯夫），加上其它部队，共有41000人的陆军。除此之外，还有海军12000人。其总指挥按理说应该是要塞的司令官斯米诺夫，但按官大原则，斯特塞尔的关东军总司令的牌子大，自然是后者说话算数。

敲掉俄国人的外围阵地后，乃木希典指挥人马铺设铁路、修筑攻城炮阵地、筹备炮弹、粮草啥的，忙得不亦乐乎。为了不战而屈人之兵，他还跟东乡平八郎联名写了份劝降信给斯特塞尔，威胁道：“按照事先的妥协条件，实行整然献城无条件投降，与非常狼狈地屈服于实力之间，有很大差别……在后一种场合，凡在公法的许可范围之内的，要采取一切手段……”

俄国人认为：日本人的建议，根本没有讨论的必要。

8月19日4：30分，日军380门大炮向旅顺要塞开火，在几个小时内共倾泄了历无前例的11.3万发炮弹。6：00左右，第十一、第九、第一师团三个师团从东到西同时展开进攻，冲锋的重点据点为东鸡冠山、盘龙山和椅子山、案子山。

8月24日，乃木希典下令停止全面进攻。