日本士兵向沈阳的俄军发动进攻(油画)
1905年3月13日， 连续进攻的日军已将俄军的右翼包抄起来，迫使克拉帕特金将军放弃沈阳和满洲南部。
据报道，俄军在战斗中损失惨重，日本步兵的疯狂进攻使俄军大约伤亡20万人。在一次战斗中，仅一个团就发动了13次冲锋。先期发动的进攻于3月8日突破了俄军防御中心。溃败的士兵将13门重炮丢弃在战场上。
与此同时，日军大规模集结沈阳西北，迫使俄国人北撤到离沈阳三天路程的铁岭。仓皇逃跑的俄军丢弃了大量武器装备。而在日军进逼铁岭的时候，俄国首都圣彼得堡的局势也日趋恶化。工人居住区不断掀起反战浪潮。各省传来的消息说，动乱局势在不断蔓延，地主和政府官员不断受到暴民的袭击。
1904年至1905年（清光绪三十年至三十一年），日俄两国为争夺中国东北和邻邦朝鲜，以中国为主要战场展开了一场战争，史称日俄战争。长期以来，日俄各对中国东北和朝鲜怀有强烈的领土野心，中日甲午战争后，日本强迫中国割让辽东半岛,承认朝鲜"独立",实际上由其控制。沙俄看到日本在亚洲大陆积极扩张势力，于己不利，于是纠合法、德两国进行干涉，要求日本退还辽东半岛。日本被迫屈服，引为奇耻大辱，决意扩军备战，伺机报复。俄国随后引诱清政府订立密约，取得在中国东北修建铁路的权利，接着又强租旅顺、大连。1900年，中国爆发义和团运动，沙俄乘机出兵占领东北全境，企图据为己有，遭到中国人民的坚决反对和世界舆论的指责。日本借机与英国订立反俄军事同盟，要求俄国撤出在中国东北的占领军，双方谈判没有结果。日本便依仗英国的军事支持和英美等国的经济援助，于1904年2月8日派遣海军偷袭停泊在旅顺港外的沙俄太平洋舰队，并击沉在朝鲜仁川的俄国军舰。日俄两国遂于2月10日同时宣战。
其时，日本现役兵员十三个师，二十余万人，海军舰只一百五十二艘。俄国实力远较日本强大。但俄国陆军精锐集中于西部边境，驻扎远东俄军仅四个师，十二万人，海军分布于太平洋、波罗的海和黑海而且舰龄较老，战斗力弱。沙俄兵力分散，交通运输不便，如调集重兵来远东作战,需要较长时间,因此利在推迟决战。日本则力图一举夺取日本海和黄海的制海权，利在速战速决。2月,日本黑木第一军六万人，在仁川登陆，迅速北上,5月初强渡鸭绿江,击败沙俄沿江守军三万余人,攻入中国境内。占领重要据点九连城、凤凰城，取得对俄陆上作战的第一个胜利。沙俄在辽阳修筑坚固工事,与太平洋舰队基地旅顺要塞共同作为抗击日本陆海进攻的强大堡垒。5月5日，奥保巩第二军五万人在貔子窝附近登陆，进攻沙俄金州守军。双方经激战后,俄军后撤,日军夺取大连，取得重要补给基地，并切断旅顺俄军与辽阳俄军主力的铁路交通。辽阳俄军奉命救援旅顺，双方在瓦房沟交战,俄军战败。野津第四军接着又在大孤山登陆,与第二军分道北上, 会合第一军进攻辽阳。6月初,乃木希典率第三军进攻旅顺，7月占领营口。8月，日海军在旅顺港附近摧毁俄国太平洋舰队主力，夺得黄海、日本海域的制海权，旅顺俄军陷入重围。8月,日军在总司令官大山岩指挥下，一、二、四军会攻辽阳。俄守军十六万人,凭借重炮和强固工事,重创日本二、四军。日第一军渡太子河包抄俄军，俄军统帅库罗巴特金担心被围，命令全军后撤。辽阳战役中，日军的人数、装备均居劣势，伤亡也超过俄军，因俄军指挥失误，日军反取得重大胜利。10月7日,俄军渡沙河企图包围日军，日军全线出击,大举反攻。至16日,俄军撤至奉天,双方大规模战斗暂停,出现所谓"沙河间歇"的胶着状态。1905年1月1日,经几个月的围攻,在双方均遭极大伤亡后,旅顺俄军投降。乃木遂率第三军移师北上，参加奉天（今沈阳）会战。交战双方兵力约六十万人，俄国三十三万，日本二十七万。2月23日,日军声东击西，率先进攻俄军左翼，俄军急调右翼兵力增强左翼，乃木率军立即向俄军右翼迂回前进，进攻得手后，于3月4日接近奉天以北铁路线,同时,日军又在俄军左翼加紧进攻,形成对俄军大包围的形势。3月10日,俄军被迫后撤,日军占领奉天,并乘胜进据铁岭、开原。俄军退至四平街,直至战争结束。 5月27日至28日,远道赶来增援的俄国波罗的海舰队在对马海峡同东乡平八郎率领的日本联合舰队进行了大规模海战(即对马海战)，俄国舰队几乎全军覆没。随后日军又占领了库页岛的一部分。至此，大规模军事行动停止。
俄军陆海军接连失败，导致国内政局不稳；日本虽取得胜利，但兵员伤亡重大，双方都无力再战。在美国调停下，从 8月10日起日俄开始议和，9月5日签订《朴茨茅斯和约》,主要内容:俄国承认日本得以"监理"名义处置朝鲜事务，俄国将旅大租借地及该租借地内的一切权益、公产等转给日本；将长春至旅顺间的铁路连同支路、利权、煤矿等无偿转让给日本；将库页岛南部及附近岛屿割予日本。另外在附约中双方规定在东北各自的铁路线内每公里驻护路兵十五名。自此中国东北成为日俄两国的势力范围，出现从一国独占变为两国分据南北的局面。日俄订约后,日本又强迫清政府承认《朴茨茅斯和约》中有关中国的各项规定，并取得经营安（东）奉（天）路、修筑长春到吉林的铁路以及在鸭绿江右岸伐木等权利，又开放东三省十六处为商埠。战后，日本加强对朝鲜的控制，至1910年（宣统二年）兼并朝鲜。
日俄战争期间,中国东北是双方陆上交锋的战场,当地人民蒙受极大的灾难，生命财产遭到空前的浩劫。清政府无力约束交战双方，屈辱地宣布局外中立。
