旅顺陷落以及俄国太平洋舰队主力被歼，不但使位于奉天附近的日军主力完全没有了后顾之忧，也使联合舰队暂时取得了制海权。当前日军的首要任务就是利用这一有利形势集中陆军主力围歼东北俄军主力于奉天地区，胜利结束战争。日军统帅部迅速将第三军北移至奉天，同时国内紧急动员组建的新编第五军也快速向奉天开进。

到1905年2月，日军在奉天地区长达100余公里的战线上集结了5个军，共27万人，此外还有1082门炮和200挺机枪。大山岩元帅的作战计划是：以新到的第三军、第五军分别迂回俄军两翼，第一军、第二军、第四军以正面进攻牵制俄军于沙河地区，保障第三军、第五军的迂回运动，主攻指向俄军右翼，由刚刚攻克旅顺要塞的第三军担任。

此时沿沙河一线集结的俄军有三个独立集团军：右翼为考尔巴斯指挥的第二集团军，正面25公里；中央为比尔德林格指挥的第三集团军，正面20公里；左翼为李涅维奇指挥的第一集团军，正面45公里。暴露的翼侧由独立部队掩护。俄军总兵力33万人，炮1494门，机枪56挺。双方对比，日军在机枪上占优势，俄军在兵力和火炮方面占优势。

在沙皇政府一再催促下，库罗帕特金准备在日第三军和第五军到达之前发动酝酿已久的攻势，在沙河一线击溃日军主力，一举扭转颓势。黑沟台战役随之爆发。

1905年1月25日，俄国骑兵支队侦察到日军左翼一个骑兵旅团位置突出，库罗帕特金立即下令第二集团军10万人担任突击，首先占领位于奉天西南40公里的小村庄黑沟台。这个日军阵线实力薄弱的突出部仅由骑兵第一旅团秋山好古部的8000人警戒宽大的正面。兵力上的巨大优势使得进攻俄军很快形成了对日军包围。1月25日，被围日军在战场上大规模使用了机枪，把冲锋的哥萨克骑兵打得尸横遍野。大山总司令官紧急调动位于后方第八师团立见尚文部奔赴增援，同时从各路抽调一切可能抽出的兵力编成临时预备队进行反击，以缓解黑沟台方向的巨大压力。

1月26日至28日，日军西翼各部队都在浴血奋战。由于弹药几乎耗尽，已经60岁的立见尚文中将率第八师团残余部队约10000人在第五师团的援助下全体以刺刀进行突击，成功解除了10万俄军对自身和秋山好古部的包围。这一胜利也成为大兵团“白刃突击”的成功战例。库罗帕特金又一次丧失了千载难逢的战机。由于担心俄军第二军可能遭到分割包围，俄军没有积极扩大黑沟台方面的战果，不但停止进攻，还下达了撤退的命令，日军渡过了最严重的一次危机。

随着日军第三军、第五军的陆续到达，日军参战的五个军已悉数到齐，大山岩随即决定集中兵力展开大规模攻势。2月23日，日军右翼第五军川村景明部率先从太子河上游地区北进，在第一军支援下，开始迂回俄军第一集团军右翼。此举完全出乎库罗帕特金的意料，他立即将右翼预备队调去加强左翼，这又正中日军的调虎离山之计。

2月27日，日本第二军、第三军两个军开始迂回俄军右翼实施突击，这一变着使俄军立即陷入了困境。库罗帕特金又仓促决定把预备队从左翼调回右翼。部队来回折腾，疲于奔命，还没开打就已经累得半死。

3月4日，日本第三军已经接近奉天以北的铁路线，战况紧急。在此期间，日军从3月1日起对俄军左翼也加强了进攻，但在俄国第一集团军的顽强阻击下进展不大。3月7日，库罗帕特金命令左翼第一集团军、第三集团军放弃沙河阵地撤到浑河以北，企图缩短战线抽出部队加强右翼，以新的反突击防止日第三军前出至奉天以北的铁路线。可俄军3月9日对日第三军的反突击没有奏效，同时放弃沙河阵地的俄第一集团军、第三集团军也来不及在浑河上构筑坚固阵地。在这种情况下，3月9日，日军突破俄第一集团军防线开始从左翼迂回奉天。同日，日第三军从右翼迂回出现在俄第二集团军后方，俄军面临被全面包围的危险境地。

面对危局，3月9日夜间，库罗帕特金下令放弃奉天，全军向铁岭撤退。这道撤退命令下晚了整整一昼夜，俄军撤退时在奉天留下了难以数计的大炮、枪械、弹药和刚刚运来的大量军需品。奉天城内外一片混乱，骑兵先于步兵和炮兵撤退，辎重堵塞了道路，失去指挥的部队又屡屡遭到日军炮击，以至于在场的俄国高级军官都以为库罗帕特金三天之内就会向日军求和。

3月10日，日军昂首开进奉天，日本后来将这一天定为“陆军纪念日”。3月11日，日本第一军、第三军在浑河地区会师。此时，俄军主力已逃出了日军的包围圈，随后在四平稳住阵脚。补给几乎断绝的日军也已筋疲力尽，再也无力发动进攻，在前进到昌图一线后停住脚步。这样双方近70万大军隔着20公里的中立地带形成对峙，一直僵持到战争结束。

奉天会战是日俄战争中最后也是最大的一次陆军会战。俄军损失89000人，日军损失70000人。俄军的惨败导致库罗帕特金被撤职，降为满洲第一集团军司令，远东陆军总司令职务由李涅维奇接任。

由于奉天会战获得胜利，几周后日本就以四厘五的优惠利率从英、美募集到3000万英镑的战争公债，要知道一年前的利率还高达六厘。俄国也早已财源枯竭，无奈，只好求助于盟友法国。作为盟友的法国也借机落井下石，贷款60000万法郎的同时，要求俄国必须高价购买法国的军火和工业品，否则不给钱。俄国财政大臣科科夫策夫曾经抱怨说，德国克虏伯榴霰弹每发只需要17.5卢布，而法国类似的炮弹要23.8卢布，仅此一项俄国就需要多支付150万卢布。

早在奉天会战结束之前，美国总统老罗斯福就已经开始进行调停活动，试图使俄国在输光老本之前结束战争。罗斯福认为俄军的失败已成定局，“如果日本人获得全胜，就意味着将来他们会把注意力从俄国移开同我们进行战争”。老罗斯福的建议得到了法国的附和。因为俄国人欠法国人的钱太多，万一俄国被打趴，找谁要钱去？

对于美、法两国的斡旋，日本政府的态度是审慎地等待更好的时机。日本外务大臣小村寿太郎认为：“在波罗的海舰队到达和奉天取得决定性胜利之前，俄国是不会提出任何和平建议的。”为了给美法一个面子，日本故意提出了一套俄国根本无法接受的方案：日本获得在俄国经营商品的优惠权，海参崴为中立商港，俄驻军撤退到哈尔滨，俄国代替日本偿还战争借款，南满铁路交给中日经营，交出海参崴分舰队和逃到其他国家的舰只，召回俄第二太平洋舰队。这样的条件，显然是将俄国当作战败国来对待。俄国当然不会接受，因为他们还有希望，还有梦想，那希望和梦想来自海上。

全世界的眼睛再次转往海上，注目那支万里之外奔赴远东的强大舰队——它现在的名字叫俄国第二太平洋舰队。