当日军第3集团军对旅顺要塞发动第一次总攻的时候，第1、第2、第4集团军也展开了对辽阳俄军的攻势。读零零小说
俄满洲集团军司令库罗巴特金把第三、第十军组成的东满支队部署在辽阳东侧的亮甲山、安平岭、太子河一线，把第一、第二军组成的南满支队部署在辽阳南侧的鞍山附近。第四、第五、第十七军被做为预备队驻守在辽阳。
根据俄军的部署，日满洲军总司令大山岩命令第1集团军从辽阳东侧的太子河发起进攻，第2集团军从海城至辽阳铁路西侧发起进攻，第4集团军从铁路东侧发起进攻。
8月23日夜，日军第1集团军悄悄逼近俄东满支队阵地。24日，近卫师团向俄西伯利亚第三军防御阵地发起攻击，迅速占领了部分前沿阵地。库罗巴特金以为日军主攻第三军阵地，遂派1个师前去增援。就在这时，日军第二师团、第十二师团向俄第十军的防御阵地发起攻击，迅速占领了弓长岭、塞坡岭，俄第十军被迫向汤河河谷撤退。
25日，日军第2、第4集团军在鞍山火车站附近遭到俄军南满支队的顽强阻击。为避免持久作战，大山岩命令近卫后备旅团向俄东满支队侧后迂回。库罗巴特金担心被日军包围，遂命令南满支队收缩防线，后撤至马伊屯、早饭屯、高丽村一带的近防御阵地。他决心在这里利用阵地战消耗日军的有生力量，然后转入****消灭日军主力。
战况和库罗巴特金预想的基本一样，日军对辽阳近防御阵地的进攻受阻，伤亡惨重。30日，日军第2、第4集团军的进攻遭到俄第一军的顽强抵抗，大量日军士兵倒在俄军机枪的疯狂扫射下，几次发动冲锋都没有成功。战至深夜，日军疲态尽显，俄军已具备了发动****的条件。
库罗巴特金只需要从他3个军的预备队中抽出1个军进行****就足以击溃日军，然而他没有想到预备队，而是要求防御阵地上的俄军发动****。即便如此，俄军依然有希望击溃日军。但是令人感到奇怪的是，库罗巴特金下达了****的命令以后俄军却没有任何动静。
原来库罗巴特金的命令是这样的：“在可能和有利的地段转入进攻。”对于这个模棱两可的命令，俄军各个指挥官都没有理会。
战场上的机会转瞬即逝，31日凌晨1时，日军第1集团军在镰刀湾附近渡过太子河，从辽阳东侧向俄军防线侧后进行迂回包抄。错失****良机的库罗巴特金只得放弃****的计划，命令辽阳南侧的俄军继续缩短防线撤至辽阳城外，并向东线增派兵力以击退日第1集团军的迂回包围。
库罗巴特金制定了新的作战计划：第二、第四军阻击日军第2、第4集团军的进攻，第十七军牵制住日军第1集团军，第一、第三、第十军迂回至日军第1集团军南侧，将其压迫至太子河，围而歼之。
计划非常完美！
9月1日，俄第二、第四军牢牢地守住了防线，日军第2、第4集团军进攻屡屡受挫，无计可施。但是俄第十七军却没有牵制住日军，第1集团军继续向俄军侧翼迂回，先是于是日傍晚偷袭了施官屯，接着占领了施官屯北侧的战术要地馒头山、五顶山。库罗巴特金围歼第1集团军的计划泡汤，便亲自组织了7个团的兵力和154门火炮的反突击队，企图夺回馒头山。
2日19时，俄军向馒头山发起进攻。这场在夜间进行的战斗非常激烈，馒头山几次易手，双方都遭受重大伤亡。库罗巴特金本来计划打一场围歼战，然而打着打着变成了攻坚战，战况越来越偏离他的计划，这让他非常郁闷。
大山岩也很郁闷。俄国人在辽阳城外构筑的堡垒非常坚固，而且俄军火力非常猛烈，日军第2、第4集团军无法前进一步；第1集团军伤亡较大，而且面临俄军4个军的包围。大山岩决定让第1集团军后撤以免被俄军围歼。
然而就在第1集团军撤退前2小时，俄军突然率先撤退了！
大山岩接到俄军撤退的消息，怀疑是俄军布设的陷阱，决定按兵不动，静观其变。7日，他接到俄军已撤退至奉天的消息后才知道自己竟然莫名其妙地打赢了！
原来，当大山岩决定撤退，另图良策的时候，库罗巴特金接到了俄军将军们“伤亡严重”、“处境危险”、“需要支援”、“弹药不足”的多个报告，这些报告让他慌了神，于是他再次放弃了****的计划，于3日凌晨命令全军向奉天撤退。
此战，日军参战兵力134，500人，阵亡5，557人，伤17，976人；俄军参战兵力224，600人，伤亡约2万人。
库罗巴特金撤退到奉天后，感觉奉天离辽阳太近，俄军缺少战略纵深，决定继续后撤至“大城市”铁岭。沙皇尼古拉二世愤怒了，狠狠训斥了他一番：仗打成这样了还想后撤？你看看旅顺要塞是怎么打的？不许再撤，你必须发动进攻，解旅顺之围，挽回帝国的荣誉！同时，尼古拉二世派格列别伯戈中将前往战区协助库罗巴特金指挥