随着日军第三军乃木的到达和第5军的编成，日军已经集中了25万人，大山岩决定进攻已经集中在奉天的37万俄军，由于日军主攻方向是俄军右翼，它要迫使库罗帕特金把预备队从右翼调到左翼来。为此，2月23日，日军右翼第5军川村景明部率先从太子河上游地区北进。在第1军支援下，开始迂回俄军第1集团军右翼。这一行动，完全出乎库罗帕特金意料之外，他立即将右翼预备队42个营(属西伯利亚第1军)调去加强左翼，而这正是大山元帅所求之不得的。
2月27日，日第2、第3两个军开始迂回俄军右翼，实施主要突击。这一着使俄军陷入了困境：在绵延约100公里的战线上，俄军右翼的预备队只剩下1个师。俄国第2集团军要对付日本2个军(约96个营、288门炮对133个营、468门炮)，而且右翼挨打的同时，左翼2个集团军按兵不动。第2集团军被迫收缩阵地。 此时，库罗帕特金又决定把预备队从左翼调回右翼。部队来回折腾，疲于奔命。
库罗帕特金决定对迂回其右翼的日第3军乃木希典的侧后发动反突击，为此从左翼2个集团军抽出若干连、营、团，匆忙编组一支混合部队，由考尔巴斯统一指挥。反突击预定于3月4日开始。3月4日，日第3军已经接近奉天以北的铁路线，情况紧急。但考尔巴斯声称部队没有完成集中，将原定的反突击日期推迟到3月5日，当时他指挥的第2集团军总兵力为120个营(8万人)，俄军进行了几次毫无效果的血战，3月7日停止行动。反突击没有奏效。日第3军继续向奉天以北迂回。
在此期间，日军从3月1日起对俄军左翼也加强了进攻，在俄国第1集团军抗击下，进展不大。但3月5日考尔巴斯发动反突击时，俄军左翼2个集团军按兵不动。3月7日，库罗帕特金命令这2个集团军放弃沙河阵地，撤到浑河以北。他采取这个决定，是企图缩短战线，抽出部队加强右翼，并以新的反突击防止日第3军前出到奉天以北的铁路线。
但是，俄军3月9日对日第3军的反突击又没有奏效，同时，放弃沙河阵地的俄国第l、第3两集团军来不及在浑河上构筑坚固阵地。在这种情况下，3月9日，日军突破俄军第1集团军防线，开始从左翼迂回奉天。同日，日第3军从右翼迂回俄第2集团军，出现在该集团军后方。
这样，东北俄军处于被包围的危险之中。3月9日夜间，库罗帕特金下令向铁岭撤退。撤退的情况相当混乱：骑兵(未参加会战)先于步兵和炮兵撤退，辎重堵塞了道路。部队失去指挥，又遭到日军炮击，后卫陷入日军包围之中。但日军也无力追击。3月11日，日第1、第3两军在浑河地区会师。此时俄军主力已逃脱包围，随后在四平街占领阵地，直到战争结束。
奉天会战是日俄战争最后也是最大的一次会战，总计俄军损失近12万人，日军损失约7万余人。俄军的惨败，导致库罗帕特金被撤职，降为“满洲”第1集团军司令。远东陆军总司令职务由李涅维奇继任。奉天会战后，沙皇政府仍不甘心失败，继续向远东增兵，同时寄希望于从欧洲海域东调的太平洋第2分舰队。