1905年1月2日，旅顺口失陷是日俄战争转折点，俄军在陆战和海战的惨败已经决定了最后的结局，但俄军仍垂死挣扎，于是奉天会战爆发了。在沙俄政府催促下，1905年1月25日，库罗帕特金对日军发起进攻，他出动了10个师。但日军在两天前得知了这个消息，于是调兵遣将准备抵抗，当俄军渡过浑河进攻黑沟台时遭到日军顽强抵抗，日俄两军在此激战3天。第一天俄军先打下黑沟台，日军向黑沟台的数次冲锋都被打退，俄军的机关枪发挥了重要作用，数以千计的日军尸横遍野，血流成河。日军在凛冽的寒风中踏着积雪和同伴的尸体继续冲锋，俄军渐渐抵挡不住，开始撤出阵地，日军于是冲进了黑沟台。第二天双方展开炮战，地面被炸得呈现月球表面的形状，黑沟台的树木变成了一片枯木朽枝混乱的堆积场。到处可见炮火翻犁过的泥土上暴露的人和马的尸体。这次战斗使日军阵亡7000人，俄军损失更惨，1万人阵亡。
与此同时，俄军在旅顺失守后频繁出击日军，日军打退了俄军进攻后并不主动出击，而是按预定计划加紧准备即将开始并最终决定战争胜负的陆地决战。大山岩集结了第一师团、第二师团、第三师团、第四师团、第五师团、第六师团、第七师团、第八师团、第九师团、第十师团、第十二师团共27万人，1082门火炮，200挺机关枪。而此时与日军对峙的俄军实力其实更胜一筹，俄军有33万人，1266门火炮，500挺机关枪。但俄军倒霉就倒霉在这个库罗帕特金上，他大肆鼓吹他的作战计划是进攻性的，但实际上却没有改变他一贯主张的消极防御的作战方针，为了防御处处布兵，分散兵力，使优势变成劣势。而日本统帅部在派精兵开赴奉天时故意散布谣言说日本第三军正向海参崴进发，以迷惑俄军。库罗帕特金果然上当，派兵开赴南乌苏里地区，这样俄军被调动得七零八落，原有优势丧失殆尽，而日军原有的劣势却变成局部优势。
此时俄军士气低落，《俄国论坛》说：“部队意志消沉，官兵士气低落，对将领们完全失去信任，灰心丧气、悲观失望的情绪与日俱增，部队消极厌战，各级司令部、后勤机关腐败堕落，酗酒成风。”日军的胜利只是时间问题了。
2月20日，日军发动攻击，23日大雪纷飞，天气异常寒冷，鸭绿江日军向清河发动总攻，午后雪越下越大，咫尺之间看不清人，但直至天黑也未能攻下。24日，日军以大炮对俄军猛攻，拿下了清河，但由于天黑地险，日军未扩大战果。
可就是这样，俄军左翼已受到严重威胁，一个人犯一次错误并不可怕，难的是从头到尾犯错误，一次都没对过，库罗帕特金就是这样难得的人，他就在此时制订了为日俄战争最后失败埋下致命祸根的计划。他认为鸭绿江日军为日军主力，而把日军真正主力第三军撂在一边，下令第二军停止向奉天西南出击，同时慌忙将右翼预备队24个营向东调，加强左翼，而这恰恰中了日军统帅部之计，这样日军可按原计划轻松地打俄军右翼。
2月27日，日军进攻俄军右翼，乃木希典得知俄军在辽河沿岸防守薄弱，于是率第三军迅速突破辽河，矛头直指奉天。他始终采取声东击西的策略，进攻俄军右翼的真正企图是掩护日军主力包抄俄军右翼，实现中间突破的计划。当俄军遭一连串挫折后库罗帕特金令预备队从右翼再调回左翼，数万俄军疲于奔命，只能在喝伏特加喝得不知道自己姓嘛的库罗帕特金指挥下跑瞎道。
3月1日，日军发起总攻，如蝗虫般排满阵前，先是万炮齐发，一排排炮弹以排山倒海之势在空中划过了美丽的弧线，落在俄军中，俄军的尸体被炸得飞起来。日军进攻越来越猛，后备梯队踩着尸体在血泊中前进，血染阵地。前锋都死了，后队立刻补上，一拨又一拨攻击连续不断。日本军人的武士道精神实在太强悍了，在武器装备水准差不多的情况下，任何民族的军队面对这种冲锋，都会迅速崩溃，唯有日后抗日战场上的中国军人在劣势装备下能够不屈不挠。
很快，日军用成千上万俄国人的尸体铺成了胜利之路。3月4日，日军接近了通往奉天的铁路，俄军大部队被迫退却，情况十分危急，这时原准备在3月4日对日军发起进攻的第二集团军司令考尔巴斯却按兵不动，丧失了给日军以措手不及打击的大好时机。3月7日库罗帕特金令第一、第三集团军放弃沙河阵地，撤至浑河以北，加强俄军右翼。匆忙放弃阵地的俄军还没来得及构筑新的防御工事便遭日军强有力的打击。阵阵射击声不停地响着，盘绕在机枪旁的弹带也越来越短，步枪射击声响亮而清脆，大炮轰鸣声吞没了与尖利的啸叫声混杂在一起的步枪声。日俄两军在厮杀，此时下起了雪，他们进退践踏过的阵地和浑身红色血迹的尸体也被白雪覆盖。
3月9日，第一集团军防线被突破，俄军陷入日军包围中，库罗帕特金急令俄军向铁岭撤退，没有参战的哥萨克骑兵先于炮兵和步兵撤退，笨重的辎重堵塞了去路，进一步加剧混乱。俄军撤退时日军在后面的追击使其雪上加霜。
3月10日，日军攻入奉天，双方展开巷战，这是最后一战。日军把重武器搬上附近屋顶，向对面咫尺之遥的俄军展开猛烈轰击，枪弹、炮弹打在街道两侧的墙壁上溅起串串火花，打在门板上打出团团火光，打在地面上击出个个弹坑，楼上的瓦片、砖头、玻璃像冰雹一样落下来，燃烧弹发出炫目的火焰。
街垒的俄军全部战死，而其他俄军却争先恐后地逃跑。日军趁机集中炮火左右夹击，炮弹在人群中爆炸，血肉横飞，俄军官兵四处逃窜，相互践踏，进一步加重伤亡，大部俄军被俘，奉天会战以俄军的惨败结束。
此战是日俄战争中最大一次会战，也是最后一次会战。俄军阵亡12万人，日军阵亡7万人。
奉天会战结束后，5月，俄国两个太平洋舰队在航行了8个月后来到了对马海峡，他们打算趁日军不备来个长途奔袭，却不承想日军早就以逸待劳。一个深夜一个俄国女人违背灯火管制点灯，与此同时东乡平八郎在浓雾中发现了这一束微弱的灯光，他下令开炮。日军的炮击使俄军措手不及，加之日军的火炮战斗力极强，最终俄军38艘战舰有21艘被击沉，7艘被俘，5艘重伤，日本仅损失3艘鱼雷艇。日军以死704人的代价歼敌5000人，以损失排水量300吨的战舰为代价使俄军20万吨战舰葬身鱼腹。最后，俄军舰队司令罗杰斯特文斯基对东乡平八郎说：“败在你的手下，我并不觉得丢人。”至此俄国败局已定。
与此同时，俄国神父卡本与请愿群众要求沙皇改革，但尼古拉二世却令卫队开枪，死500余人，各地群情激奋，爆发革命，使得俄国雪上加霜，沙俄的统治就像塞在火山口的一团棉花，随时都可能被焚为灰烬。尼古拉二世说：“俄国国内的繁荣比战争的胜利更重要。”而日本虽占上风，但在此战后日本弹药几乎耗尽，无力再战，连素来好战的山县有朋都说：“无论坐守阵地还是主动进攻，均前途渺茫。”于是在美国调停下双方坐到了谈判桌前，唇枪舌剑的谈判开始了。
