突襲旅順
旅順是俄國在遠東攫取的僅有的不凍港，是太平洋分艦隊的主要基地。整個日俄戰爭期間，始終貫穿著雙方對這一戰略要地的爭奪，實質上是爭奪對戰爭全域性具有決定意義的制海權。旅順港的內港較狹窄，水淺，只有一個出入口。大型戰艦隻能在漲潮時出入內港，而且要有拖船牽引。俄方制訂的要塞設防計劃，原定到1909年完成。戰爭爆發時，守軍（地面部隊）只有1.21萬人，炮116門（計劃規定418門）。太平洋分艦隊主力常駐該地，很少出海訓練，艦炮和要塞從未進行過聯合演習。港內沒有艦艇維修設施。
1904年2月5日，日方決定同俄國斷交同時，日本天皇即指示開始軍事行動。日本聯合艦隊司令東鄉平八郎，於2月6日0時召集下屬指揮官，傳達天皇的決定，並且命令全艦隊開赴黃海，分別攻擊停泊在旅順和仁川（濟物浦）的俄艦。
在這個關鍵時刻，俄國官兵仍處於和平麻痺狀態。太平洋分艦隊停泊在旅順外港，艦艇警戒仍執行“平時規定”，已經決定採取加強警戒的補充措施，但要到1904年2月10日才開始執行。夜間不開啟防雷網，卻以軍艦上的探照燈把內港的出入口照得通明。總督阿列克塞耶夫及其親信知道日俄談判破裂的訊息，但沒有采取應變措施。直到日軍偷襲旅順前幾小時，艦隊參謀長威特赫夫特將軍還說“戰爭打不起來”。
1904年2月8日白天，1艘英國汽船駛進旅順，日本駐旅順領事立即撤僑。阿列克塞耶夫等高階將領對此也等閒視之。在聖彼得堡只有個別人注意到戰爭的徵候。例如喀琅施塔得港口司令馬卡羅夫，他於1904年2月8日專門致函海軍部，提請該部注意旅順艦隊的危險處境，建議將艦隊開進內港。信中說，如不採取這個措施，“則我們將被迫於首次夜間突襲之後這樣作，那就要為這個錯誤付出重大代價了”。然而，直到日軍開始攻擊時，俄國艦隊仍在外港，而且沒有采取必要的防護措施。
此時，日本東鄉艦隊正向旅大方向開進：3支驅擊艦小隊準備攻擊旅順口的俄國艦隊，另外8艘驅擊艦開往大連方向。1904年2月8日午夜，在海岸燈塔和俄艦探照燈光照射下，日艦盯住俄國艦隊，在近距離上發射了16枚魚雷，其中3枚命中目標，重創俄國最好的艦隻3艘，揭開了戰爭的序幕。爆炸聲和炮聲驚動了整個旅順。當時俄國艦隊軍官正在城裡舉行晚宴，慶祝艦隊司令施塔克將軍夫人的命名日。要塞內不知道港灣裡出了什麼事。司令部查問，下面回答說是實彈射擊。直到黎明時發現港口附近被擊中的船骸，才真相大白。
1904年3月上旬，俄國新任太平洋分艦隊司令斯捷潘·奧西波維·馬卡洛夫到職，採取了一系列緊急措施，加強了旅順艦隊的行動。首先，他決定在遼東半島沿海地區佈雷，防止日軍登陸並從後面威脅旅順基地。同時改善旅順港口的防禦，加緊修復被打壞的艦艇，經常派遣艦隊出海活動，加強戰備訓練。他還命令海參崴艦隊在日本海積極襲擾日軍海上交通線，以便分散日方對旅順的壓力。1904年3月22日，馬卡羅夫率領艦隊出海挑戰，1904年4月13日，馬卡羅夫因所乘軍艦於返回基地途中觸雷斃命。新任司令威特赫夫特不再採取積極行動。
遼東登陸
戰爭爆發後，俄國加速向遠東增兵。為防日軍在北韓和遼東半島沿岸登陸，俄軍作如下部署：“東滿”支隊（近2萬人）在鴨綠江右岸佔領陣地；“南滿”支隊（約2.2萬人）配置在營口一大石橋一海城地區；關東支隊（近3萬人）部署在遼東半島和旅順地區。主力（近3萬人）集結於遼陽一奉天地區。此外，在南烏蘇裡和海參崴還有近3萬人集結待命。從俄國腹地調來的增援部隊正陸續開到（戰爭頭半年每月約2萬人）。
在俄日雙方爭奪制海權的同時，日本陸軍開始登陸。1904年3月21日，日第1軍（約3萬人，100餘門炮，由黑木為楨大將指揮）首先在北韓鎮南浦登陸北進。
1904年4月中旬，日軍未遇抵抗就抵達鴨綠江左岸。在對岸防守的是俄軍“東滿”支隊，由扎蘇利奇中將指揮。扎蘇利奇擁有近2萬人、62門炮，佔領陣地已經1個半月，但沒有加強防禦工事。部隊分散配置在寬大的正面上，對敵人可能進攻的方向胸中無數。只構築一道綿長的塹壕，並且幾乎不加偽裝。佔總兵力約半數的預備隊配置在10公里以外。炮兵陣地完全暴露。
1904年4月30日夜間，日軍發動進攻，企圖迂迴俄軍左翼。1904年5月1日在九連城展開激戰。俄軍以炮火和反突擊抵抗日軍的進攻。但日軍兵力佔優勢，其火炮從隱蔽陣地上發射，壓制了俄軍炮火。扎蘇利奇害怕被包圍，下令向遼陽撤退。東西伯利亞第11步兵團被陷入優勢日軍的包圍圈，經替戰突圍，傷亡慘重。這是俄軍在地面作戰中首次失利。扎蘇利奇部隊的撤退，為日軍進入東北打開了大門。日第1軍立即前出鳳凰城地區，準備向遼陽方向進軍。
與此同時，日第2軍（4個師，約4萬人，216門炮，由奧保鞏大將指揮）於5月初在遼東半島東南貔子窩登陸，企圖從北面攻佔旅順。1904年5月底，第2軍進抵金州。在該地區擔任防禦的是俄軍第4步兵師，負責掩護旅順以北的接近地。這個師共1.8萬人（131門炮，由福克將軍指揮），但只派出1個團（3800人）在陣地上，其餘都作為預備隊，距前沿10-12公里以外。日第2軍以3個師投入進攻，兵力10倍於敵，火力5倍於敵，並可得到艦炮支援。在眾寡懸殊的戰鬥中，俄國艦隊主力按兵不動，只出動了兩三艘艦艇加強俄軍的右翼。遼東半島俄軍司令斯捷塞爾命令福克師放棄大連，徑直向旅順方向撤退。日軍隨即佔領金州和大連，並向旅順逼進。（俄日金州南山之戰）由於旅順地面部隊司令康得拉欽科堅持利用旅順外圍有利地形設防，日軍才被阻於旅順以北25-30公里一線。日軍各路登陸得手後，於1904年6月20日建立“滿洲軍總司令部”，以大山岩元帥任總司令，統一指揮各部日軍。
只要旅順繼續掌握在俄國手中，它的艦隊就隨時可威脅在“南滿”登陸的日軍的海上交通線。不佔領旅順，日軍無法在東北進行大規模的地面作戰。因此，在將近1個月的時間內，日方積極準備對旅順的第2次進攻，專門編組了執行這項任務的第3軍（第2軍已奉命北上），任命乃木希典為軍長。此人甲午戰爭時擔任旅長，曾一舉攻克旅順。第3軍所配備的火炮大部分是攻城炮。
與此同時，尼古拉二世也指示遠東俄國陸軍總司令庫羅帕特金髮動攻勢，責成他“對旅順的命運負責”。聖彼得堡警告庫羅帕特金說：如丟掉旅順，“將是新的最沉重的打擊，不僅有損於俄國在遠東的政治軍事威望，而且有損於在近東、中亞和歐洲的政治軍事威望。無疑，俄國的敵人將利用這一點儘可能使我們為難，而朋友則將把俄國視為軟弱的同盟者而加以拋棄。”在沙皇政府的壓力下，庫羅帕特金勉強派出1個軍（施塔克爾堡指揮的西伯利亞第1軍）南下支援旅順。
1904年6月14-15日，庫羅帕特金的部隊在得利寺、瓦房店地區與日第2軍遭遇，俄軍一敗塗地，狼狽退卻。從此旅順與東北俄軍主力的聯絡被完全切斷。日軍為進攻旅順，必須確保第3軍後方的安全，使它不致遭到集結於遼陽以南地區俄軍的打擊。因此，1904年6月下旬，第1、第2、第4（從大孤山登陸）3個軍開始向遼陽方向移動，企圖牽制俄軍於該地。1904年6月26日起，日軍恢復了遼東半島上的軍事行動。但佔領了橫山等制高點以後，又轉入防禦，等待增援。1個月後，日第3軍恢復對旅順的攻勢。此時，防守旅順外圍各隘口的俄軍第44、第7兩個師，兵力約1.6萬人，火炮70門，另有戰艦支援。但在斯捷塞爾指揮下，節節敗退。1904年7月30日，俄軍放棄旅順外圍最後一道天然屏障——狼山，福克師在該處一共只堅守了半天。當日，俄軍開始撤進要塞。甚至連日本人也沒有估計到俄軍退卻如此之快。
從戰爭爆發到1904年7月底近半年中，旅順要塞的防禦有所加強。守軍增到4萬人，炮646門，機槍62挺。海軍有戰艦38艘。但物資儲備不足以應付長期圍困。例如炮彈，平均每門炮只有400發。防禦工事不堅固，偽裝不嚴密。特別是指揮無能。負責旅順防務的斯捷塞爾是個常敗將軍，他從金州失守開始，就主張放棄旅順外圍一切要地，退入要塞，等待增援。甚至庫羅帕特金也感到此人不宜繼續擔任指揮，曾命令他將指揮權交給斯米爾諾夫將軍。但斯捷塞爾對斯米爾諾夫隱瞞了電報，以致後者直到戰爭結束以後才知道對自己的“任命”。艦隊司令威特赫夫特也強調敵強己弱，拒絕出海，始終龜縮在港內。
包圍旅順的日軍兵力達6萬人，火炮400門（其中攻城炮198門），機槍72挺。同時，日方以艦隊（52艘戰艦）封鎖了港口。
1904年8月7日，日軍發動進攻。首次攻佔要塞外圍前沿制高點——大孤山和小孤山。日軍以12個營對俄軍3個營。雙方為爭奪這兩個戰術要點激戰了4天。最後高地落入日軍之手。1904年8月10日，俄國艦隊奉阿列克塞耶夫之命，試圖突破封鎖，開往海參崴。但由於威特赫夫特准備不周，指揮失當，與日艦隊遭遇，當場戰死，其餘艦隻被迫縮回基地；部分艦隻逃到中立國港口，被解除武裝（日俄黃海海戰）。1904年8月12日，俄海參崴分艦隊在蔚山海戰中被日軍上村彥之丞的第二艦隊摧毀，1904年8月19日，日軍對要塞發動首次強攻，晝夜突擊，雙方激戰到8月24日。日軍奪佔了一些前沿工事，但傷亡約2萬人（佔總兵力1/3），士氣低落，自傷者大有其人。俄軍也傷亡3500人。至此，日軍放棄了迅速攻佔旅順的打算，改取長圍久困之計。
遼陽會戰
雙方形勢：
日軍強攻旅順的同時，正在準備遼陽會戰。原擬攻克旅順，抽出第3軍用於遼陽方向。第3軍抽不出來，而推遲遼陽會戰又於整個戰局不利，因為隨著時間的推移，俄國援軍將從俄國腹地源源趕到。為此，必須抓緊時機，以現有兵力第1、第2、第4軍）一舉殲滅集結於遼陽地區的俄軍主力。雖然日軍兵力火力都佔劣勢（以13.5萬人、474門炮對16萬人、592門炮），但前一階段作戰已摸了俄軍的底，增強了以少勝多的信心。.
遼陽會戰中俄軍使用的觀測氣球
俄國國內形勢的發展，要求俄軍在遼陽地區奪取軍事上的重大勝利。當地俄軍經過長期準備，儲備了大量作戰物資，條件比較有利。庫羅帕特金揚言“寧死不從遼陽後退”，他決定依託前沿工事，抗擊和疲憊進攻的日軍，然後轉入反擊。這就是說，俄軍擁有優勢兵力火力而採取消極等待的方針，一開始就把主動權給了敵人。
遼陽地區俄軍防禦成3道陣地。第1道陣地（前沿陣地）全長75公里，位於遼陽以南和東南約30公里。第2道陣地全長22公里，距遼陽約8公里。第3道陣地緊靠遼陽城。全長15公里。這3道陣地，特別是第1道陣地，縱深小，翼側暴露，工事構築計劃都沒有完成，無法抗擊日軍的進攻。
兩軍部署：
到1904年8月23日，俄軍按計劃進入陣地，部署如下：右翼為南部集團（扎魯巴耶夫指揮的3個軍）；左翼為東部集團（比爾德林格指揮的2個軍），遼陽以東還有幾個軍。另外2個軍作為預備隊：遼陽、奉天各1個軍。佔領陣地的各個軍，又分別以40-50%的兵力作為預備隊，這樣一來，實際上投入戰場的俄軍兵力就不多了。
日軍部署與此不同，它把全部兵力投入戰場，不留任何預備隊，因此它在總兵力對比上是劣勢，但在俄軍兩翼卻造成了兵力優勢。日軍的計劃是對俄軍實行圍殲。第4軍從正面進攻，牽制俄軍主力；同時第1、第2兩個軍分別從東西兩面迂迴俄軍左右兩翼，以右翼為主攻方向。這是一個以少數包圍多數的大膽計劃。
戰況：
遼陽會戰始於1904年8月24日，日第1軍對俄軍東部集團實施兩翼迂迴，企圖把俄軍的注意力吸引到左翼，迫使庫羅帕特金把他的預備隊調到左翼，從而削弱其右翼，為日軍第2、第4兩個軍進攻俄軍右翼（主攻）創造有利態勢。
俄軍左翼的戰鬥一開始就很激烈。日方利用俄軍暴露的翼側，決定對西伯利亞第3軍實施兩翼迂迴。為此，日第1軍左翼的1個近衛師，在俄軍部署中打進楔子，來到了西伯利亞第3軍的翼側。為增援西伯利亞第3軍，俄方立即投入預備隊，其中包括馬爾丁諾夫上校指揮的1個團。該團在行軍途中獲悉日軍已來到了西伯利亞第3軍的翼側，馬爾丁諾夫不等命令，主動改變行動方向，轉向西面，從高粱地隱蔽機動到日軍近衛師的翼側，突然以刺刀白刃戰打退日軍近衛師，形勢轉而對俄軍有利。這是俄國軍官發揮主動性的罕見的一例。但俄軍東部集團指揮部不敢利用這一有利形勢擴張戰果，坐失戰機。
1904年8月26日，日第4、第2軍開始進攻掩護通往遼陽的最捷徑的俄軍。中間突破受阻之後，日軍緩慢迂迴俄軍右翼。庫羅帕特金擔心俄軍有被全部包圍的危險，乃下令全線撤至第2道陣地。俄軍撤至第2道陣地後，仍保持原來的部署，大部兵力作為預備隊，在一線展開的兵力不過40%，打法也仍然是等待日軍進攻。日軍的兵力部署也大體如前，企圖也仍然是圍殲俄軍。但接受前一段作戰的教訓——各路部隊攻擊時間不統一，使俄軍可以自由機動其預備隊），於8月30日以3個軍的全部兵力同時發起進攻。俄軍以機槍、火炮和刺刀頂住各路日軍的進攻。雙方激戰1整天，日軍被迫後撤。
日軍正面進攻受阻，乃於當日（30日）夜間，派第1軍部分兵力（1.8萬人）偷渡太子河（到達右岸），31日晨迂迴俄軍左翼（5萬餘人），與此同時加強對俄軍右翼的進攻。1904年9月1日整天，俄軍準備反擊日第1軍，為此在左翼集結了3個軍，企圖以迂迴動作將日第1軍壓迫到太子河殲滅之。反擊定於1904年9月2日開始。但在1904年9月1日夜間日軍進攻俄軍左翼集團，佔領了該方向一系列重要的戰術要點，其中包括時官屯及其北面的小高地饅頭山。在這種情況下，庫羅帕特金決定在實施全面反擊之前，首先奪回饅頭山。為此分別從各個師抽出7個步兵團，154門炮。但這支臨時拼湊的部隊缺乏強有力的統一指揮，戰鬥的重擔實際上落在伊斯托明指揮的1個團頭上，該團下轄7個營，其中3個營是從其他團抽調的。伊斯托明不顧當時的條令和習慣作法，將7個營中的5個營編入戰鬥隊，預備隊只留2個營。戰鬥於9月2日19時打響，一直在黑暗中進行，雙方激烈爭奪。俄軍一度收復饅頭山，但在日軍反擊下，陷於一片混亂，倉皇潰逃。
結果：
時官屯---饅頭山戰鬥的失利，使庫羅帕特金有了放棄反擊計劃的藉口。他不瞭解當時日軍已投入全部兵力，並且遭到重大損失。鑑於第1軍單獨與俄軍強大集團相對壘，處境不利，日方決定1904年9月3日晨將第1軍撤回太子河右岸。就在日軍行動之前2小時，庫羅帕特金命令俄軍放棄遼陽，退守奉天（在遼陽會戰中白白損失2.7萬人）。到會戰結束時，俄軍大部分預備隊始終未投入戰鬥。1904年9月3日俄軍向奉天撤退時，日軍無力組織追擊，直到1904年9月4日才小心翼翼地進入遼陽。此役，日軍損失約1.4萬人。
沙河攻守
遼陽會戰後，日俄兩軍大體上在奉天與遼陽之間的沙河地區互相對峙。1904年9月底，東北地區俄軍約達21萬人，758門炮，32挺機槍。防線長達90公里。同期，沙河地區日軍約12萬人，488門炮。前一階段作戰，日軍消耗很大，為補充兵員，在國內進行了總動員，但仍不能根本改變兵力對比。
在這種情況下，日方決定在沙河地區轉入防禦，等待第3軍儘快從旅順解脫出來，北上增援。同樣，庫羅帕特金雖然擁有相對兵力優勢，也不急於發動反攻，仍然是依託既設陣地等待日軍進攻。但沙皇政府迫於俄國國內革命運動的高漲和遼陽會戰後國內對戰爭的不滿情緒，要求庫羅帕特金髮動攻勢，解旅順之圍，藉以挽回帝國的“榮譽”，提高沙皇政府一落千丈的地位。
庫羅帕特金制訂的進攻計劃，是對渾河與太子河間之敵實施攻擊，並佔領太子河右岸，實際上就是把日軍趕過太子河。俄軍分左右2個集團：左翼3個軍，由施塔克爾堡指揮，向本溪湖方向實施主攻（該方向是山地）；右翼2個軍，由比爾德林格指揮，緩慢地向沙河方向前進，任務是把主攻方向的敵人吸引過來。另以3個軍作為預備隊。左右兩集團的進攻正面共50公里，總的進攻速度，每晝夜不超過5公里。這個計劃主攻指向山地，而俄軍沒有進行山地戰的準備，特別是缺少山炮。更糟的是，俄方進攻的準備工作不隱蔽，被日方發覺（日本間諜活躍於俄軍後方，加之日方從俄國軍官屍體身上搜出作戰計劃），完全喪失了突然性。
沙河會戰
日軍統帥大山元帥決定將計就計，首先利用對俄軍不利的山地地形，以防禦戰消耗、疲憊俄軍，然後投入新銳力量，轉入進攻，猛攻俄軍中央和右翼，一舉殲滅東北俄軍主力。
1904年10月8日，俄軍東部兵團（由73個步兵營和34個騎兵連組成）來到日軍右翼。從該地區可以攻擊日第1軍翼側。
1904年10月9日，由45個步兵營和18個騎兵連組成的部隊，對日軍右翼邊緣（位於本溪湖—帶）發起攻擊。部署在這個方面的日軍，只有梅澤道治少將指揮的近衛後備步兵旅8個營。由於防守堅決，被日軍譽為“光榮的梅澤旅”。大山總司令官頂住了俄軍東部兵團的猛烈攻擊。
1904年10月10日，又集中全軍主力，從日軍左翼向東北方向的敵人發起總攻。這次進攻因與猛插俄軍右翼的騎兵第2旅（旅長閒院宮載仁親王）相配合，結果俄軍不得不於1904年10月12日開始全面退卻。日軍立即利用這一有利時機轉入進攻，日軍這一行動，導致一系列激烈的遭遇戰。在某些情況下，遭遇戰不僅晝間進行，而且夜間也進行。夜戰中，雙方均不使用炮兵，部隊以密集隊形投入攻擊，士兵胳膊挨胳膊，大多數場合夜戰以刺刀白刃戰告結束。為識別敵友，俄軍士兵袖纏白布帶。這種激烈的遭遇戰持續至1904年10月15日。日軍進展不大，只是在某些地段將俄軍頂回沙河地區。大山岩決定在既得陣地上轉入防禦。
與此同時，庫羅帕特金決定1904年10月16日晨在自己右翼發動進攻，以恢復在沙河左岸的原態勢。但15日夜間，日第二軍奧保鞏部以奇襲攻佔俄軍左翼第1軍地段內具有決定意義的制高點萬寶山（位於沙河堡地區）。日軍佔領該高地，就造成了突破俄軍防禦中心的威脅。因此，庫羅帕特金放棄原定進攻計劃，令第1軍不惜一切代價奪回該高地。經16-17兩日激戰，俄軍以傷亡3000人的代價奪回了高地。日方死亡1500人。雙方各自鞏固既得陣地，加修工事，互相對峙，偶爾出動偵察部隊或進行炮擊。這種情況一直持續到1905年1月奉天會戰為止。整個會戰，俄方損失4萬餘人，日方損失2萬餘人。
旅順陷落
日方鑑於自己兵力不足，而俄國增援部隊源源開到遠東，戰爭曠日持久對己不利。唯一出路是把困在旅順的第3軍解脫出來。同時，俄國波羅的海艦隊正在東調途中，一旦與遠東艦隊會合，實力將超過日本艦隊。因此，日本統帥部利用沙河會戰後俄軍按兵不動之機，將全部後備力量投入對旅順的攻擊，力爭儘快奪取旅順。
早在1904年8月日軍首次強攻旅順受挫之後，就加強了第3軍的兵力，運來11英寸口徑的攻城炮（該種11英寸的榴彈炮射程達到1萬碼（約合9144米），炮彈重達550磅（約合249.5千克），飛行中發出特殊的轟鳴，而被別稱為“火車彈”[16]），在旅順外圍構築了炮兵陣地和平行壕，對俄軍的防禦工事步步進逼。1904年9月19日，日軍發動第2次強攻，迨至1904年10月30日，發起了第3次強攻，但仍然沒有取得重大進展。大山岩命令乃木希典交出指揮權。暫時由總參謀長兒玉源太郎指揮，兒玉對炮兵的運用遠遠強於乃木，經過調整部署後，一天就攻克了203高地。高地的陷落，基本上決定了旅順戰局的命運。日軍在高地上建立觀察哨，校正炮兵射擊，以海岸防衛用的280毫米大口徑榴彈炮轟擊俄國艦隊。
日俄高階將領在水師營會見
1904年12月15日，被俄華人稱為旅順俄軍防禦“靈魂”的康得拉欽科將軍斃命。
1905年1月2日俄方正式簽訂投降文書。此時俄軍尚有官兵3.24萬名，火炮610門，炮彈20.3萬發。整個旅順戰役過程中，俄軍損失4.4萬餘人，日軍損失約6萬人。
旅順爭奪戰是日俄戰爭中具有重大意義的事件。只要旅順牽制著大量日軍，只要旅順口的俄國艦隊還存在，日軍就無法決定戰爭的結局。如果俄國歐洲地區的艦隊東調，還可能改變海上形勢，並切斷日軍海上補給線。因此日軍不惜重大代價攻取旅順，歸根到底是解決日俄戰爭的根本問題——制海權。
奉天會戰
旅順陷落和俄國太平洋艦隊主力被殲，使日本獲得完全的制海權（至少在俄國歐洲艦隊到達之前）。日方竭力利用這一有利的形勢，圍殲東北俄軍於奉天地區，勝利結束戰爭。因此，日軍統帥部迅速將第3軍轉移至奉天，同時新編第5軍（鴨綠江軍）也向奉天開進。
到1905年2月中，奉天地區日軍在長達100餘公里的戰線上集結了5個軍，27萬人，1082門炮，200挺機槍。大山元帥的計劃是：以新到的第3軍、第5軍分別迂迴俄軍兩翼，第1軍、第2軍、第4軍以正面進攻牽制俄軍於沙河地區，並保障第3軍、第5軍的迂迴運動。主攻指向俄軍右翼，由第3軍擔任。此時，沿沙河一線集結的俄軍成3個獨立的野戰集團：右翼為第2集團軍（考爾巴斯指揮），正面25公里；中央為第3集團軍（比爾德林格指揮），正面20公里；左翼為第1集團軍（李涅維奇指揮），正面45公里。暴露的翼側由獨立部隊掩護。俄軍總兵力達33萬人，炮1266門，機槍56挺。在害怕爆發革命的沙皇政府催促下，庫羅帕特金決定發動醞釀已久的攻勢。在乃木第3軍北上之前，企圖在沙河一線擊潰日軍主力，這樣就爆發了黑溝臺會戰。
黑溝臺會戰
日俄雙方對比，俄軍在兵力和火炮方面均佔優勢，庫羅帕特金計劃用第2集團軍（5個軍126個步兵營、162個騎兵連439門炮）共10萬人擔任突擊，任務首先是佔領奉天西南約40公里的一個村子沈旦堡（三疊鋪）。庫羅帕特金認為該村是日軍整個陣地的關鍵。而這個方向上的日軍，實力卻異常薄弱，僅以騎兵第一旅團的秋山好古部8000人警戒寬大正面。二十五日來攻的俄軍有：黑溝臺方面的2個師（由32個步兵營編成），沈旦堡方面的1個師（由16個步兵營編成）和向日軍左側插過來的米舒欽柯騎兵軍（72個騎兵連）。被包圍的日軍秋山好古部率先在戰場上大規模使用了機槍，把衝鋒的哥薩克騎兵打的屍橫遍野。大山總司令官十分重視戰況的發展變化，在緊急調動位於後方的第8師立見尚文立即奔赴黑溝臺的同時，也從各條戰線抽調可能抽出的兵力，編成臨時預備隊進行反擊。1月26日至28日，日軍西翼的各部隊進行了浴血奮戰。立見尚文部子彈全部打光，被迫進行了一場世界最大的白刃突擊戰，突破了俄軍對秋山旅團的包圍，1月29日拂曉，以臨時預備隊的第5師，在由柳條口至長灘的西北方向上，分割攻擊敵人陣地，以期各個擊破黑溝臺以南之敵。又一次由於庫羅帕特金總司令官缺乏果斷，喪失了千載難逢的好戰機。由於他擔心俄軍第2軍可能會遭到分割包圍。因而沒有積極擴大黑溝臺方面的戰果。特別是由於日軍部署在中央位置的部隊（主要是第2軍）的牽制活動，進一步增加了作戰正面的危機感，以至幾次拒絕俄軍第2軍司令官的增援要求。結果，不但停止了對黑溝臺方面日軍的進攻，而且下達了撤退的命令。日軍渡過了一次最大的危機。
奉天之戰
隨著日軍第三軍乃木的到達和第5軍的編成，日軍已經集中了25萬人，大山岩決定進攻已經集中在奉天的37萬俄軍，由於日軍主攻方向是俄軍右翼，它要迫使庫羅帕特金把預備隊從右翼調到左翼來。為此，1905年2月23日，日軍右翼第5軍川村景明部率先從太子河上游地區北進。在第1軍支援下，開始迂迴俄軍第1集團軍右翼。這一行動，完全出乎庫羅帕特金意料之外，他立即將右翼預備隊42個營（屬西伯利亞第1軍）調去加強左翼，而這正是大山元帥所求之不得的。
奉天會戰前期
1905年2月27日，日第2、第3兩個軍開始迂迴俄軍右翼，實施主要突擊。這一著使俄軍陷入了困境：在綿延約100公里的戰線上，俄軍右翼的預備隊只剩下1個師。俄國第2集團軍要對付日本2個軍（約96個營、288門炮對133個營、468門炮），而且右翼捱打的同時，左翼2個集團軍按兵不動。第2集團軍被迫收縮陣地。此時，庫羅帕特金又決定把預備隊從左翼調回右翼。部隊來回折騰，疲於奔命。
庫羅帕特金決定對迂迴其右翼的日第3軍乃木希典的側後發動反突擊，為此從左翼2個集團軍抽出若干連、營、團，匆忙編組一支混合部隊，由考爾巴斯統一指揮。反突擊預定於3月4日開始。3月4日，日第3軍已經接近奉天以北的鐵路線，情況緊急。但考爾巴斯聲稱部隊沒有完成集中，將原定的反突擊日期推遲到3月5日，當時他指揮的第2集團軍總兵力為120個營（8萬人），俄軍進行了幾次毫無效果的血戰，3月7日停止行動。反突擊沒有奏效。日第3軍繼續向奉天以北迂迴。
在此期間，日軍從3月1日起對俄軍左翼也加強了進攻，在俄國第1集團軍抗擊下，進展不大。但3月5日考爾巴斯發動反突擊時，俄軍左翼2個集團軍按兵不動。3月7日，庫羅帕特金命令這2個集團軍放棄沙河陣地，撤到渾河以北。他採取這個決定，是企圖縮短戰線，抽出部隊加強右翼，並以新的反突擊防止日第3軍前出到奉天以北的鐵路線。
但是，俄軍3月9日對日第3軍的反突擊又沒有奏效，同時，放棄沙河陣地的俄國第1、第3兩集團軍來不及在渾河上構築堅固陣地。在這種情況下，3月9日，日軍突破俄軍第1集團軍防線，開始從左翼迂迴奉天。同日，日第3軍從右翼迂迴俄第2集團軍，來到該集團軍後方。
這樣，東北俄軍處於被包圍的危險之中。3月9日夜間，庫羅帕特金下令向鐵嶺撤退。撤退的情況相當混亂：騎兵（未參加會戰）先於步兵和炮兵撤退，輜重堵塞了道路。部隊失去指揮，又遭到日軍炮擊，後衛陷入日軍包圍之中。但日軍也無力追擊。1905年3月11日，日第1、第3兩軍在渾河地區會師。此時俄軍主力已逃脫包圍，隨後在四平街佔領陣地，直到戰爭結束。
奉天會戰是日俄戰爭最後也是最大的一次會戰，總計俄軍損失近12萬人，日軍損失約7萬餘人。俄軍的慘敗，導致庫羅帕特金被撤職，降為“滿洲”第1集團軍司令。遠東陸軍總司令職務由李涅維奇繼任。奉天會戰後，沙皇政府仍不甘心失敗，繼續向遠東增兵，同時寄希望於從歐洲海域東調的太平洋第2分艦隊。
對馬海戰
日俄戰爭初期，沙皇政府決定從波羅的海艦隊（後來加上黑海艦隊）抽調艦船，編組“太平洋第2分艦隊”，開往遠東增援。這支混合艦隊擁有各型主要戰艦38艘，輔助艦船約20艘，下編兩個大隊（後來又增加1個大隊），由羅日傑斯特溫斯基海軍中將統一指揮。這支倉促拼湊的艦隊，某些艦隻尚未完全建成就出海，邊航行邊安裝。官兵戰術技術水平低，有的甚至缺乏起碼的訓練，通訊聯絡靠德造無線電臺，德國技術員一走，電臺即形同廢物。官兵矛盾很深，士氣低落，特別是黑海艦隊水兵受過革命思想影響，具有反抗精神。
太平洋第2分艦隊原定1904年7月中出發，後因準備工作跟不上，推遲到10月中出發。航行路線預定從波羅的海經非洲南端好望角直到海參崴（後來在丹吉爾將艦隊一分為二：羅日傑斯特溫斯基率領較新較大的艦隻繼續沿好望角航行，其他艦隻由福克薩姆率領，經地中海和蘇伊士運河入印度洋，以後兩支部隊在馬拉加西沿海會合），全程3萬公里，中途一個基地也沒有。按照國際法規定，交戰國軍艦不得在中立國港口停泊，這一規定給艦隊造成了巨大困難。
艦隊出發時，由於日軍的一系列勝利，在俄軍中流行著嚴重的恐日病，幾乎到了草木皆兵的地步，甚至謠傳日本的秘密艦隊已到了北歐海域。在這種氣氛下，官兵精神緊張，艦隊航行初期，鬧出不少海軍史上罕見的大笑話。他們有時見到外國船就以為是日本艦隊而盲目開炮，甚至相距較遠的俄國艦艇也發生誤會，互相開炮。10月21-22日夜間在北海擊沉擊傷英國漁船的事件，引起國際風波（在巴黎召開國際法庭公審），英國政府藉此威壓中立國不得向俄國艦隊提供方便。俄國艦隊為了解決燃料問題，只得在海上加煤，有機會就儘可能多裝，以至甲板、機房、洗澡間，軍官臥室等一切空地都堆滿了煤炭，既降低了速度（超重），又影響工作和衛生，特別是經過赤道海域，水兵們痛苦不堪，非戰鬥減員嚴重，而這時俄國補給船送來的卻是幾千套冬裝（只有給陸軍送“神像”一事可與之相比擬）。
1904年12月底，羅日傑斯特溫斯基到達馬拉加西沿海，直到與福克薩姆會合後，才於1905年3月中旬繼續向遠東航行。這時船底已長滿了海藻，航速大幅下降。羅日傑斯特溫斯基重病初愈（請求辭職未準），其副手福克薩姆重病垂危。士氣極為低落，士兵自殺不斷髮生，甚至多次爆發“兵變”。
1905年4月8日羅日傑斯特溫斯基到達新加坡。海軍部命令他前往越南的金蘭灣，在該處等候涅博加托夫率領的太平洋第3分艦隊會合，然後北上，打敗日本艦隊，併到達海參崴。羅日傑斯特溫斯基艦隊進入金蘭灣，引起日本政府強烈抗議。法國海軍當局被迫勒令俄艦出境。1905年5月9日，太平洋第2、第3分艦隊在海上會合，聯合艦隊由羅日傑斯特溫斯基任司令，福克薩姆任副司令。
在俄國艦隊東調的過程中，日本東鄉艦隊進行了迎戰的充分準備。先是對艦艇進行維修保養，給水兵休假，養精蓄銳。2月份，全體人員歸隊，進行緊張的訓練演習。東鄉判斷俄國艦隊最可能透過北韓海峽，取最短捷徑到海參崴。因此，日艦隊主力在對馬海峽附近和日本沿海集結待機。同時在俄國艦隊可能經過的一些海上通道佈雷，組織監視，形成了一個龐大的預報網，其縱深達225公里以上。5月25日，俄國艦隊最後一次加煤，其數量足夠用到海參崴，造成超載。在此期間，副司令福克薩姆病死，羅日傑斯特溫斯基卻秘而不宣，甚至對當然的副司令繼任者涅博加托夫也保密，旗艦繼續掛福克薩姆的旗幟。5月27日，艦隊進入對馬海峽，爆發了著名的對馬海戰。雙方各有裝甲主力艦12艘，但日艦航速快（18-20節；俄艦15.5-18節），火力也佔優勢（日艦每分鐘可發射炮彈360發、總重量21949千克；俄艦每分鐘發射134發、總重量8190千克）。除此以外，日俄巡洋艦數量為16：8，魚雷艇數量為69：9，日方均佔優勢。
更糟糕的是，俄國艦隊經過220天的遠航，人員十分疲憊；同時又不注意偵察，對敵情一無所知；又沒有作戰預案，各艦長只知道集中火力打敵旗艦，並向海參崴方向逃跑。東鄉親率艦隊主力（4艘主力艦、8艘重巡洋艦）在北韓鎮海附近隱蔽待機。為使自己的艦隊有足夠的機動餘地，他決心讓俄國艦隊透過對馬海峽之後才出動。
1905年5月26日夜間，俄國艦隊透過日方第1道海上警戒線。日方偵察艦在遠距離上進行不間斷地跟蹤監視，並及時用無線電將情況報告東鄉。因此東鄉對俄國艦隊的實力、航向、航速和隊形瞭如指掌。27日晨，羅日傑斯特溫斯基發現了日本哨艦的行動，心情十分緊張。當時俄國艦隊成行軍隊形：第1、第2裝甲艦大隊在右翼，第3裝甲艦大隊和巡洋艦大隊在左翼，運輸船隊居中。11時後，羅日傑斯特溫斯基命令艦隊成戰鬥隊形：右翼2個大隊向左靠攏，開到左翼第3大隊前面，全艦隊成單排一列式（縱隊）。各艦航速不一，司令官沒有明確規定慢的加速，快的減速，結果造成大混亂。12時許，羅日傑斯特溫斯基忽然心血來潮，判斷日本艦隊可能以橫隊隊形向他攻擊，因此又命令俄國艦隊成橫隊隊形。於是艦隊開始進行復雜的機動動作。此時，羅日傑斯特溫斯基顯然由於擔心其戰鬥隊形過早被敵人發現，忽然又下令全艦隊恢復行軍隊形，再次引起大混亂。
13時40分左右，東鄉艦隊主力在右前方出現，成單排一列式，企圖截斷俄國艦隊的航線。臨戰前，東鄉對全艦隊發出訊號：“皇國興廢，在此一戰，諸位尤須奮發努力。”羅日傑斯特溫斯基再次下令成戰鬥隊形，但已經來不及了。東鄉截斷了俄國艦隊的航線，並在距敵35-38鏈的海域向左轉彎，劃了一個“U”字形（日本戰史稱之為“敵前大回頭”）。轉彎時，日本艦隊處於俄艦火力威脅之下，而且相當一部分艦艇無法回擊（視線和射界被己方艦艇遮蔽）。這個動作在當時海軍戰術上是違反常規的。但這時俄國艦隊正處於變換隊形的混亂之中，羅日傑斯特溫斯基雖然下令開炮，結果形成盲目射擊，浪費彈藥，並且喪失了戰機。日本艦隊完成了轉彎之後，首先集中火力猛攻俄國艦隊的旗艦，海戰開始半小時後，羅日傑斯特溫斯基的旗艦“蘇沃洛夫號”被迫退出戰鬥，羅日傑斯特溫斯基本人負重傷（後被俘投降）。其他幾艘旗艦也相繼被擊沉擊傷。俄國艦隊失去指揮，陷入一片混亂。
俄國艦隊力圖擺脫截擊的敵艦，但因為航速慢，沒有得逞。日艦則充分發揮其航速快的優勢，迅速機動，佔領俄國艦隊前進方向的有利位置，猛烈炮擊。雙方在煙霧迷漫之中進行了一場混戰。俄艦被擊沉擊傷多艘。16時許，海上起霧，東鄉裝甲艦隊與俄國裝甲艦隊一度脫離接觸，東鄉向北轉移。但日本巡洋艦隊和俄國巡洋艦隊正在偏南的海域進行激戰。18時半，俄國裝甲艦隊開往該海域參戰。直到此時，涅博加托夫才接管指揮權，並下令艦隊繼續北進。
當天夜間，東鄉又出動37艘魚雷艇和21艘驅擊艦，對殘餘的俄國艦隊實施魚雷攻擊。28日晨5時許，涅博加托夫率領僅存的少數艦隻向海參崴方向逃跑。9時許遭到日本艦隊圍攻，涅博加托夫始則懸白旗、繼而懸日本國旗投降。
這次海戰，俄國太平洋第2、第3分艦隊除3艘逃往海參崴之外，其餘全軍覆沒（包括擊沉、被俘和被中立國扣留），艦艇損失總計達27萬噸（比後來第一次世界大戰中著名的日德蘭海戰雙方損失的總和還大）。人員陣亡4830人，被俘5917人（不包括受傷和在外國港口被扣留者）。日方只損失魚雷艇3艘，人員陣亡僅117人，傷587人。
突襲旅順
旅順是俄國在遠東攫取的僅有的不凍港，是太平洋分艦隊的主要基地。整個日俄戰爭期間，始終貫穿著雙方對這一戰略要地的爭奪，實質上是爭奪對戰爭全域性具有決定意義的制海權。旅順港的內港較狹窄，水淺，只有一個出入口。大型戰艦隻能在漲潮時出入內港，而且要有拖船牽引。俄方制訂的要塞設防計劃，原定到1909年完成。戰爭爆發時，守軍（地面部隊）只有1.21萬人，炮116門（計劃規定418門）。太平洋分艦隊主力常駐該地，很少出海訓練，艦炮和要塞從未進行過聯合演習。港內沒有艦艇維修設施。
1904年2月5日，日方決定同俄國斷交同時，日本天皇即指示開始軍事行動。日本聯合艦隊司令東鄉平八郎，於2月6日0時召集下屬指揮官，傳達天皇的決定，並且命令全艦隊開赴黃海，分別攻擊停泊在旅順和仁川（濟物浦）的俄艦。
在這個關鍵時刻，俄國官兵仍處於和平麻痺狀態。太平洋分艦隊停泊在旅順外港，艦艇警戒仍執行“平時規定”，已經決定採取加強警戒的補充措施，但要到1904年2月10日才開始執行。夜間不開啟防雷網，卻以軍艦上的探照燈把內港的出入口照得通明。總督阿列克塞耶夫及其親信知道日俄談判破裂的訊息，但沒有采取應變措施。直到日軍偷襲旅順前幾小時，艦隊參謀長威特赫夫特將軍還說“戰爭打不起來”。
1904年2月8日白天，1艘英國汽船駛進旅順，日本駐旅順領事立即撤僑。阿列克塞耶夫等高階將領對此也等閒視之。在聖彼得堡只有個別人注意到戰爭的徵候。例如喀琅施塔得港口司令馬卡羅夫，他於1904年2月8日專門致函海軍部，提請該部注意旅順艦隊的危險處境，建議將艦隊開進內港。信中說，如不採取這個措施，“則我們將被迫於首次夜間突襲之後這樣作，那就要為這個錯誤付出重大代價了”。然而，直到日軍開始攻擊時，俄國艦隊仍在外港，而且沒有采取必要的防護措施。
此時，日本東鄉艦隊正向旅大方向開進：3支驅擊艦小隊準備攻擊旅順口的俄國艦隊，另外8艘驅擊艦開往大連方向。1904年2月8日午夜，在海岸燈塔和俄艦探照燈光照射下，日艦盯住俄國艦隊，在近距離上發射了16枚魚雷，其中3枚命中目標，重創俄國最好的艦隻3艘，揭開了戰爭的序幕。爆炸聲和炮聲驚動了整個旅順。當時俄國艦隊軍官正在城裡舉行晚宴，慶祝艦隊司令施塔克將軍夫人的命名日。要塞內不知道港灣裡出了什麼事。司令部查問，下面回答說是實彈射擊。直到黎明時發現港口附近被擊中的船骸，才真相大白。
1904年3月上旬，俄國新任太平洋分艦隊司令斯捷潘·奧西波維·馬卡洛夫到職，採取了一系列緊急措施，加強了旅順艦隊的行動。首先，他決定在遼東半島沿海地區佈雷，防止日軍登陸並從後面威脅旅順基地。同時改善旅順港口的防禦，加緊修復被打壞的艦艇，經常派遣艦隊出海活動，加強戰備訓練。他還命令海參崴艦隊在日本海積極襲擾日軍海上交通線，以便分散日方對旅順的壓力。1904年3月22日，馬卡羅夫率領艦隊出海挑戰，1904年4月13日，馬卡羅夫因所乘軍艦於返回基地途中觸雷斃命。新任司令威特赫夫特不再採取積極行動。
遼東登陸
戰爭爆發後，俄國加速向遠東增兵。為防日軍在北韓和遼東半島沿岸登陸，俄軍作如下部署：“東滿”支隊（近2萬人）在鴨綠江右岸佔領陣地；“南滿”支隊（約2.2萬人）配置在營口一大石橋一海城地區；關東支隊（近3萬人）部署在遼東半島和旅順地區。主力（近3萬人）集結於遼陽一奉天地區。此外，在南烏蘇裡和海參崴還有近3萬人集結待命。從俄國腹地調來的增援部隊正陸續開到（戰爭頭半年每月約2萬人）。
在俄日雙方爭奪制海權的同時，日本陸軍開始登陸。1904年3月21日，日第1軍（約3萬人，100餘門炮，由黑木為楨大將指揮）首先在北韓鎮南浦登陸北進。
1904年4月中旬，日軍未遇抵抗就抵達鴨綠江左岸。在對岸防守的是俄軍“東滿”支隊，由扎蘇利奇中將指揮。扎蘇利奇擁有近2萬人、62門炮，佔領陣地已經1個半月，但沒有加強防禦工事。部隊分散配置在寬大的正面上，對敵人可能進攻的方向胸中無數。只構築一道綿長的塹壕，並且幾乎不加偽裝。佔總兵力約半數的預備隊配置在10公里以外。炮兵陣地完全暴露。
1904年4月30日夜間，日軍發動進攻，企圖迂迴俄軍左翼。1904年5月1日在九連城展開激戰。俄軍以炮火和反突擊抵抗日軍的進攻。但日軍兵力佔優勢，其火炮從隱蔽陣地上發射，壓制了俄軍炮火。扎蘇利奇害怕被包圍，下令向遼陽撤退。東西伯利亞第11步兵團被陷入優勢日軍的包圍圈，經替戰突圍，傷亡慘重。這是俄軍在地面作戰中首次失利。扎蘇利奇部隊的撤退，為日軍進入東北打開了大門。日第1軍立即前出鳳凰城地區，準備向遼陽方向進軍。
與此同時，日第2軍（4個師，約4萬人，216門炮，由奧保鞏大將指揮）於5月初在遼東半島東南貔子窩登陸，企圖從北面攻佔旅順。1904年5月底，第2軍進抵金州。在該地區擔任防禦的是俄軍第4步兵師，負責掩護旅順以北的接近地。這個師共1.8萬人（131門炮，由福克將軍指揮），但只派出1個團（3800人）在陣地上，其餘都作為預備隊，距前沿10-12公里以外。日第2軍以3個師投入進攻，兵力10倍於敵，火力5倍於敵，並可得到艦炮支援。在眾寡懸殊的戰鬥中，俄國艦隊主力按兵不動，只出動了兩三艘艦艇加強俄軍的右翼。遼東半島俄軍司令斯捷塞爾命令福克師放棄大連，徑直向旅順方向撤退。日軍隨即佔領金州和大連，並向旅順逼進。（俄日金州南山之戰）由於旅順地面部隊司令康得拉欽科堅持利用旅順外圍有利地形設防，日軍才被阻於旅順以北25-30公里一線。日軍各路登陸得手後，於1904年6月20日建立“滿洲軍總司令部”，以大山岩元帥任總司令，統一指揮各部日軍。
只要旅順繼續掌握在俄國手中，它的艦隊就隨時可威脅在“南滿”登陸的日軍的海上交通線。不佔領旅順，日軍無法在東北進行大規模的地面作戰。因此，在將近1個月的時間內，日方積極準備對旅順的第2次進攻，專門編組了執行這項任務的第3軍（第2軍已奉命北上），任命乃木希典為軍長。此人甲午戰爭時擔任旅長，曾一舉攻克旅順。第3軍所配備的火炮大部分是攻城炮。
與此同時，尼古拉二世也指示遠東俄國陸軍總司令庫羅帕特金髮動攻勢，責成他“對旅順的命運負責”。聖彼得堡警告庫羅帕特金說：如丟掉旅順，“將是新的最沉重的打擊，不僅有損於俄國在遠東的政治軍事威望，而且有損於在近東、中亞和歐洲的政治軍事威望。無疑，俄國的敵人將利用這一點儘可能使我們為難，而朋友則將把俄國視為軟弱的同盟者而加以拋棄。”在沙皇政府的壓力下，庫羅帕特金勉強派出1個軍（施塔克爾堡指揮的西伯利亞第1軍）南下支援旅順。
1904年6月14-15日，庫羅帕特金的部隊在得利寺、瓦房店地區與日第2軍遭遇，俄軍一敗塗地，狼狽退卻。從此旅順與東北俄軍主力的聯絡被完全切斷。日軍為進攻旅順，必須確保第3軍後方的安全，使它不致遭到集結於遼陽以南地區俄軍的打擊。因此，1904年6月下旬，第1、第2、第4（從大孤山登陸）3個軍開始向遼陽方向移動，企圖牽制俄軍於該地。1904年6月26日起，日軍恢復了遼東半島上的軍事行動。但佔領了橫山等制高點以後，又轉入防禦，等待增援。1個月後，日第3軍恢復對旅順的攻勢。此時，防守旅順外圍各隘口的俄軍第44、第7兩個師，兵力約1.6萬人，火炮70門，另有戰艦支援。但在斯捷塞爾指揮下，節節敗退。1904年7月30日，俄軍放棄旅順外圍最後一道天然屏障——狼山，福克師在該處一共只堅守了半天。當日，俄軍開始撤進要塞。甚至連日本人也沒有估計到俄軍退卻如此之快。
從戰爭爆發到1904年7月底近半年中，旅順要塞的防禦有所加強。守軍增到4萬人，炮646門，機槍62挺。海軍有戰艦38艘。但物資儲備不足以應付長期圍困。例如炮彈，平均每門炮只有400發。防禦工事不堅固，偽裝不嚴密。特別是指揮無能。負責旅順防務的斯捷塞爾是個常敗將軍，他從金州失守開始，就主張放棄旅順外圍一切要地，退入要塞，等待增援。甚至庫羅帕特金也感到此人不宜繼續擔任指揮，曾命令他將指揮權交給斯米爾諾夫將軍。但斯捷塞爾對斯米爾諾夫隱瞞了電報，以致後者直到戰爭結束以後才知道對自己的“任命”。艦隊司令威特赫夫特也強調敵強己弱，拒絕出海，始終龜縮在港內。
包圍旅順的日軍兵力達6萬人，火炮400門（其中攻城炮198門），機槍72挺。同時，日方以艦隊（52艘戰艦）封鎖了港口。
1904年8月7日，日軍發動進攻。首次攻佔要塞外圍前沿制高點——大孤山和小孤山。日軍以12個營對俄軍3個營。雙方為爭奪這兩個戰術要點激戰了4天。最後高地落入日軍之手。1904年8月10日，俄國艦隊奉阿列克塞耶夫之命，試圖突破封鎖，開往海參崴。但由於威特赫夫特准備不周，指揮失當，與日艦隊遭遇，當場戰死，其餘艦隻被迫縮回基地；部分艦隻逃到中立國港口，被解除武裝（日俄黃海海戰）。1904年8月12日，俄海參崴分艦隊在蔚山海戰中被日軍上村彥之丞的第二艦隊摧毀，1904年8月19日，日軍對要塞發動首次強攻，晝夜突擊，雙方激戰到8月24日。日軍奪佔了一些前沿工事，但傷亡約2萬人（佔總兵力1/3），士氣低落，自傷者大有其人。俄軍也傷亡3500人。至此，日軍放棄了迅速攻佔旅順的打算，改取長圍久困之計。
遼陽會戰
雙方形勢：
日軍強攻旅順的同時，正在準備遼陽會戰。原擬攻克旅順，抽出第3軍用於遼陽方向。第3軍抽不出來，而推遲遼陽會戰又於整個戰局不利，因為隨著時間的推移，俄國援軍將從俄國腹地源源趕到。為此，必須抓緊時機，以現有兵力第1、第2、第4軍）一舉殲滅集結於遼陽地區的俄軍主力。雖然日軍兵力火力都佔劣勢（以13.5萬人、474門炮對16萬人、592門炮），但前一階段作戰已摸了俄軍的底，增強了以少勝多的信心。.
遼陽會戰中俄軍使用的觀測氣球
俄國國內形勢的發展，要求俄軍在遼陽地區奪取軍事上的重大勝利。當地俄軍經過長期準備，儲備了大量作戰物資，條件比較有利。庫羅帕特金揚言“寧死不從遼陽後退”，他決定依託前沿工事，抗擊和疲憊進攻的日軍，然後轉入反擊。這就是說，俄軍擁有優勢兵力火力而採取消極等待的方針，一開始就把主動權給了敵人。
遼陽地區俄軍防禦成3道陣地。第1道陣地（前沿陣地）全長75公里，位於遼陽以南和東南約30公里。第2道陣地全長22公里，距遼陽約8公里。第3道陣地緊靠遼陽城。全長15公里。這3道陣地，特別是第1道陣地，縱深小，翼側暴露，工事構築計劃都沒有完成，無法抗擊日軍的進攻。
兩軍部署：
到1904年8月23日，俄軍按計劃進入陣地，部署如下：右翼為南部集團（扎魯巴耶夫指揮的3個軍）；左翼為東部集團（比爾德林格指揮的2個軍），遼陽以東還有幾個軍。另外2個軍作為預備隊：遼陽、奉天各1個軍。佔領陣地的各個軍，又分別以40-50%的兵力作為預備隊，這樣一來，實際上投入戰場的俄軍兵力就不多了。
日軍部署與此不同，它把全部兵力投入戰場，不留任何預備隊，因此它在總兵力對比上是劣勢，但在俄軍兩翼卻造成了兵力優勢。日軍的計劃是對俄軍實行圍殲。第4軍從正面進攻，牽制俄軍主力；同時第1、第2兩個軍分別從東西兩面迂迴俄軍左右兩翼，以右翼為主攻方向。這是一個以少數包圍多數的大膽計劃。
戰況：
遼陽會戰始於1904年8月24日，日第1軍對俄軍東部集團實施兩翼迂迴，企圖把俄軍的注意力吸引到左翼，迫使庫羅帕特金把他的預備隊調到左翼，從而削弱其右翼，為日軍第2、第4兩個軍進攻俄軍右翼（主攻）創造有利態勢。
俄軍左翼的戰鬥一開始就很激烈。日方利用俄軍暴露的翼側，決定對西伯利亞第3軍實施兩翼迂迴。為此，日第1軍左翼的1個近衛師，在俄軍部署中打進楔子，來到了西伯利亞第3軍的翼側。為增援西伯利亞第3軍，俄方立即投入預備隊，其中包括馬爾丁諾夫上校指揮的1個團。該團在行軍途中獲悉日軍已來到了西伯利亞第3軍的翼側，馬爾丁諾夫不等命令，主動改變行動方向，轉向西面，從高粱地隱蔽機動到日軍近衛師的翼側，突然以刺刀白刃戰打退日軍近衛師，形勢轉而對俄軍有利。這是俄國軍官發揮主動性的罕見的一例。但俄軍東部集團指揮部不敢利用這一有利形勢擴張戰果，坐失戰機。
1904年8月26日，日第4、第2軍開始進攻掩護通往遼陽的最捷徑的俄軍。中間突破受阻之後，日軍緩慢迂迴俄軍右翼。庫羅帕特金擔心俄軍有被全部包圍的危險，乃下令全線撤至第2道陣地。俄軍撤至第2道陣地後，仍保持原來的部署，大部兵力作為預備隊，在一線展開的兵力不過40%，打法也仍然是等待日軍進攻。日軍的兵力部署也大體如前，企圖也仍然是圍殲俄軍。但接受前一段作戰的教訓——各路部隊攻擊時間不統一，使俄軍可以自由機動其預備隊），於8月30日以3個軍的全部兵力同時發起進攻。俄軍以機槍、火炮和刺刀頂住各路日軍的進攻。雙方激戰1整天，日軍被迫後撤。
日軍正面進攻受阻，乃於當日（30日）夜間，派第1軍部分兵力（1.8萬人）偷渡太子河（到達右岸），31日晨迂迴俄軍左翼（5萬餘人），與此同時加強對俄軍右翼的進攻。1904年9月1日整天，俄軍準備反擊日第1軍，為此在左翼集結了3個軍，企圖以迂迴動作將日第1軍壓迫到太子河殲滅之。反擊定於1904年9月2日開始。但在1904年9月1日夜間日軍進攻俄軍左翼集團，佔領了該方向一系列重要的戰術要點，其中包括時官屯及其北面的小高地饅頭山。在這種情況下，庫羅帕特金決定在實施全面反擊之前，首先奪回饅頭山。為此分別從各個師抽出7個步兵團，154門炮。但這支臨時拼湊的部隊缺乏強有力的統一指揮，戰鬥的重擔實際上落在伊斯托明指揮的1個團頭上，該團下轄7個營，其中3個營是從其他團抽調的。伊斯托明不顧當時的條令和習慣作法，將7個營中的5個營編入戰鬥隊，預備隊只留2個營。戰鬥於9月2日19時打響，一直在黑暗中進行，雙方激烈爭奪。俄軍一度收復饅頭山，但在日軍反擊下，陷於一片混亂，倉皇潰逃。
結果：
時官屯---饅頭山戰鬥的失利，使庫羅帕特金有了放棄反擊計劃的藉口。他不瞭解當時日軍已投入全部兵力，並且遭到重大損失。鑑於第1軍單獨與俄軍強大集團相對壘，處境不利，日方決定1904年9月3日晨將第1軍撤回太子河右岸。就在日軍行動之前2小時，庫羅帕特金命令俄軍放棄遼陽，退守奉天（在遼陽會戰中白白損失2.7萬人）。到會戰結束時，俄軍大部分預備隊始終未投入戰鬥。1904年9月3日俄軍向奉天撤退時，日軍無力組織追擊，直到1904年9月4日才小心翼翼地進入遼陽。此役，日軍損失約1.4萬人。
沙河攻守
遼陽會戰後，日俄兩軍大體上在奉天與遼陽之間的沙河地區互相對峙。1904年9月底，東北地區俄軍約達21萬人，758門炮，32挺機槍。防線長達90公里。同期，沙河地區日軍約12萬人，488門炮。前一階段作戰，日軍消耗很大，為補充兵員，在國內進行了總動員，但仍不能根本改變兵力對比。
在這種情況下，日方決定在沙河地區轉入防禦，等待第3軍儘快從旅順解脫出來，北上增援。同樣，庫羅帕特金雖然擁有相對兵力優勢，也不急於發動反攻，仍然是依託既設陣地等待日軍進攻。但沙皇政府迫於俄國國內革命運動的高漲和遼陽會戰後國內對戰爭的不滿情緒，要求庫羅帕特金髮動攻勢，解旅順之圍，藉以挽回帝國的“榮譽”，提高沙皇政府一落千丈的地位。
庫羅帕特金制訂的進攻計劃，是對渾河與太子河間之敵實施攻擊，並佔領太子河右岸，實際上就是把日軍趕過太子河。俄軍分左右2個集團：左翼3個軍，由施塔克爾堡指揮，向本溪湖方向實施主攻（該方向是山地）；右翼2個軍，由比爾德林格指揮，緩慢地向沙河方向前進，任務是把主攻方向的敵人吸引過來。另以3個軍作為預備隊。左右兩集團的進攻正面共50公里，總的進攻速度，每晝夜不超過5公里。這個計劃主攻指向山地，而俄軍沒有進行山地戰的準備，特別是缺少山炮。更糟的是，俄方進攻的準備工作不隱蔽，被日方發覺（日本間諜活躍於俄軍後方，加之日方從俄國軍官屍體身上搜出作戰計劃），完全喪失了突然性。
沙河會戰
日軍統帥大山元帥決定將計就計，首先利用對俄軍不利的山地地形，以防禦戰消耗、疲憊俄軍，然後投入新銳力量，轉入進攻，猛攻俄軍中央和右翼，一舉殲滅東北俄軍主力。
1904年10月8日，俄軍東部兵團（由73個步兵營和34個騎兵連組成）來到日軍右翼。從該地區可以攻擊日第1軍翼側。
1904年10月9日，由45個步兵營和18個騎兵連組成的部隊，對日軍右翼邊緣（位於本溪湖—帶）發起攻擊。部署在這個方面的日軍，只有梅澤道治少將指揮的近衛後備步兵旅8個營。由於防守堅決，被日軍譽為“光榮的梅澤旅”。大山總司令官頂住了俄軍東部兵團的猛烈攻擊。
1904年10月10日，又集中全軍主力，從日軍左翼向東北方向的敵人發起總攻。這次進攻因與猛插俄軍右翼的騎兵第2旅（旅長閒院宮載仁親王）相配合，結果俄軍不得不於1904年10月12日開始全面退卻。日軍立即利用這一有利時機轉入進攻，日軍這一行動，導致一系列激烈的遭遇戰。在某些情況下，遭遇戰不僅晝間進行，而且夜間也進行。夜戰中，雙方均不使用炮兵，部隊以密集隊形投入攻擊，士兵胳膊挨胳膊，大多數場合夜戰以刺刀白刃戰告結束。為識別敵友，俄軍士兵袖纏白布帶。這種激烈的遭遇戰持續至1904年10月15日。日軍進展不大，只是在某些地段將俄軍頂回沙河地區。大山岩決定在既得陣地上轉入防禦。
與此同時，庫羅帕特金決定1904年10月16日晨在自己右翼發動進攻，以恢復在沙河左岸的原態勢。但15日夜間，日第二軍奧保鞏部以奇襲攻佔俄軍左翼第1軍地段內具有決定意義的制高點萬寶山（位於沙河堡地區）。日軍佔領該高地，就造成了突破俄軍防禦中心的威脅。因此，庫羅帕特金放棄原定進攻計劃，令第1軍不惜一切代價奪回該高地。經16-17兩日激戰，俄軍以傷亡3000人的代價奪回了高地。日方死亡1500人。雙方各自鞏固既得陣地，加修工事，互相對峙，偶爾出動偵察部隊或進行炮擊。這種情況一直持續到1905年1月奉天會戰為止。整個會戰，俄方損失4萬餘人，日方損失2萬餘人。
旅順陷落
日方鑑於自己兵力不足，而俄國增援部隊源源開到遠東，戰爭曠日持久對己不利。唯一出路是把困在旅順的第3軍解脫出來。同時，俄國波羅的海艦隊正在東調途中，一旦與遠東艦隊會合，實力將超過日本艦隊。因此，日本統帥部利用沙河會戰後俄軍按兵不動之機，將全部後備力量投入對旅順的攻擊，力爭儘快奪取旅順。
早在1904年8月日軍首次強攻旅順受挫之後，就加強了第3軍的兵力，運來11英寸口徑的攻城炮（該種11英寸的榴彈炮射程達到1萬碼（約合9144米），炮彈重達550磅（約合249.5千克），飛行中發出特殊的轟鳴，而被別稱為“火車彈”[16]），在旅順外圍構築了炮兵陣地和平行壕，對俄軍的防禦工事步步進逼。1904年9月19日，日軍發動第2次強攻，迨至1904年10月30日，發起了第3次強攻，但仍然沒有取得重大進展。大山岩命令乃木希典交出指揮權。暫時由總參謀長兒玉源太郎指揮，兒玉對炮兵的運用遠遠強於乃木，經過調整部署後，一天就攻克了203高地。高地的陷落，基本上決定了旅順戰局的命運。日軍在高地上建立觀察哨，校正炮兵射擊，以海岸防衛用的280毫米大口徑榴彈炮轟擊俄國艦隊。
日俄高階將領在水師營會見
1904年12月15日，被俄華人稱為旅順俄軍防禦“靈魂”的康得拉欽科將軍斃命。
1905年1月2日俄方正式簽訂投降文書。此時俄軍尚有官兵3.24萬名，火炮610門，炮彈20.3萬發。整個旅順戰役過程中，俄軍損失4.4萬餘人，日軍損失約6萬人。
旅順爭奪戰是日俄戰爭中具有重大意義的事件。只要旅順牽制著大量日軍，只要旅順口的俄國艦隊還存在，日軍就無法決定戰爭的結局。如果俄國歐洲地區的艦隊東調，還可能改變海上形勢，並切斷日軍海上補給線。因此日軍不惜重大代價攻取旅順，歸根到底是解決日俄戰爭的根本問題——制海權。
奉天會戰
旅順陷落和俄國太平洋艦隊主力被殲，使日本獲得完全的制海權（至少在俄國歐洲艦隊到達之前）。日方竭力利用這一有利的形勢，圍殲東北俄軍於奉天地區，勝利結束戰爭。因此，日軍統帥部迅速將第3軍轉移至奉天，同時新編第5軍（鴨綠江軍）也向奉天開進。
到1905年2月中，奉天地區日軍在長達100餘公里的戰線上集結了5個軍，27萬人，1082門炮，200挺機槍。大山元帥的計劃是：以新到的第3軍、第5軍分別迂迴俄軍兩翼，第1軍、第2軍、第4軍以正面進攻牽制俄軍於沙河地區，並保障第3軍、第5軍的迂迴運動。主攻指向俄軍右翼，由第3軍擔任。此時，沿沙河一線集結的俄軍成3個獨立的野戰集團：右翼為第2集團軍（考爾巴斯指揮），正面25公里；中央為第3集團軍（比爾德林格指揮），正面20公里；左翼為第1集團軍（李涅維奇指揮），正面45公里。暴露的翼側由獨立部隊掩護。俄軍總兵力達33萬人，炮1266門，機槍56挺。在害怕爆發革命的沙皇政府催促下，庫羅帕特金決定發動醞釀已久的攻勢。在乃木第3軍北上之前，企圖在沙河一線擊潰日軍主力，這樣就爆發了黑溝臺會戰。
黑溝臺會戰
日俄雙方對比，俄軍在兵力和火炮方面均佔優勢，庫羅帕特金計劃用第2集團軍（5個軍126個步兵營、162個騎兵連439門炮）共10萬人擔任突擊，任務首先是佔領奉天西南約40公里的一個村子沈旦堡（三疊鋪）。庫羅帕特金認為該村是日軍整個陣地的關鍵。而這個方向上的日軍，實力卻異常薄弱，僅以騎兵第一旅團的秋山好古部8000人警戒寬大正面。二十五日來攻的俄軍有：黑溝臺方面的2個師（由32個步兵營編成），沈旦堡方面的1個師（由16個步兵營編成）和向日軍左側插過來的米舒欽柯騎兵軍（72個騎兵連）。被包圍的日軍秋山好古部率先在戰場上大規模使用了機槍，把衝鋒的哥薩克騎兵打的屍橫遍野。大山總司令官十分重視戰況的發展變化，在緊急調動位於後方的第8師立見尚文立即奔赴黑溝臺的同時，也從各條戰線抽調可能抽出的兵力，編成臨時預備隊進行反擊。1月26日至28日，日軍西翼的各部隊進行了浴血奮戰。立見尚文部子彈全部打光，被迫進行了一場世界最大的白刃突擊戰，突破了俄軍對秋山旅團的包圍，1月29日拂曉，以臨時預備隊的第5師，在由柳條口至長灘的西北方向上，分割攻擊敵人陣地，以期各個擊破黑溝臺以南之敵。又一次由於庫羅帕特金總司令官缺乏果斷，喪失了千載難逢的好戰機。由於他擔心俄軍第2軍可能會遭到分割包圍。因而沒有積極擴大黑溝臺方面的戰果。特別是由於日軍部署在中央位置的部隊（主要是第2軍）的牽制活動，進一步增加了作戰正面的危機感，以至幾次拒絕俄軍第2軍司令官的增援要求。結果，不但停止了對黑溝臺方面日軍的進攻，而且下達了撤退的命令。日軍渡過了一次最大的危機。
奉天之戰
隨著日軍第三軍乃木的到達和第5軍的編成，日軍已經集中了25萬人，大山岩決定進攻已經集中在奉天的37萬俄軍，由於日軍主攻方向是俄軍右翼，它要迫使庫羅帕特金把預備隊從右翼調到左翼來。為此，1905年2月23日，日軍右翼第5軍川村景明部率先從太子河上游地區北進。在第1軍支援下，開始迂迴俄軍第1集團軍右翼。這一行動，完全出乎庫羅帕特金意料之外，他立即將右翼預備隊42個營（屬西伯利亞第1軍）調去加強左翼，而這正是大山元帥所求之不得的。
奉天會戰前期
1905年2月27日，日第2、第3兩個軍開始迂迴俄軍右翼，實施主要突擊。這一著使俄軍陷入了困境：在綿延約100公里的戰線上，俄軍右翼的預備隊只剩下1個師。俄國第2集團軍要對付日本2個軍（約96個營、288門炮對133個營、468門炮），而且右翼捱打的同時，左翼2個集團軍按兵不動。第2集團軍被迫收縮陣地。此時，庫羅帕特金又決定把預備隊從左翼調回右翼。部隊來回折騰，疲於奔命。
庫羅帕特金決定對迂迴其右翼的日第3軍乃木希典的側後發動反突擊，為此從左翼2個集團軍抽出若干連、營、團，匆忙編組一支混合部隊，由考爾巴斯統一指揮。反突擊預定於3月4日開始。3月4日，日第3軍已經接近奉天以北的鐵路線，情況緊急。但考爾巴斯聲稱部隊沒有完成集中，將原定的反突擊日期推遲到3月5日，當時他指揮的第2集團軍總兵力為120個營（8萬人），俄軍進行了幾次毫無效果的血戰，3月7日停止行動。反突擊沒有奏效。日第3軍繼續向奉天以北迂迴。
在此期間，日軍從3月1日起對俄軍左翼也加強了進攻，在俄國第1集團軍抗擊下，進展不大。但3月5日考爾巴斯發動反突擊時，俄軍左翼2個集團軍按兵不動。3月7日，庫羅帕特金命令這2個集團軍放棄沙河陣地，撤到渾河以北。他採取這個決定，是企圖縮短戰線，抽出部隊加強右翼，並以新的反突擊防止日第3軍前出到奉天以北的鐵路線。
但是，俄軍3月9日對日第3軍的反突擊又沒有奏效，同時，放棄沙河陣地的俄國第1、第3兩集團軍來不及在渾河上構築堅固陣地。在這種情況下，3月9日，日軍突破俄軍第1集團軍防線，開始從左翼迂迴奉天。同日，日第3軍從右翼迂迴俄第2集團軍，來到該集團軍後方。
這樣，東北俄軍處於被包圍的危險之中。3月9日夜間，庫羅帕特金下令向鐵嶺撤退。撤退的情況相當混亂：騎兵（未參加會戰）先於步兵和炮兵撤退，輜重堵塞了道路。部隊失去指揮，又遭到日軍炮擊，後衛陷入日軍包圍之中。但日軍也無力追擊。1905年3月11日，日第1、第3兩軍在渾河地區會師。此時俄軍主力已逃脫包圍，隨後在四平街佔領陣地，直到戰爭結束。
奉天會戰是日俄戰爭最後也是最大的一次會戰，總計俄軍損失近12萬人，日軍損失約7萬餘人。俄軍的慘敗，導致庫羅帕特金被撤職，降為“滿洲”第1集團軍司令。遠東陸軍總司令職務由李涅維奇繼任。奉天會戰後，沙皇政府仍不甘心失敗，繼續向遠東增兵，同時寄希望於從歐洲海域東調的太平洋第2分艦隊。
對馬海戰
日俄戰爭初期，沙皇政府決定從波羅的海艦隊（後來加上黑海艦隊）抽調艦船，編組“太平洋第2分艦隊”，開往遠東增援。這支混合艦隊擁有各型主要戰艦38艘，輔助艦船約20艘，下編兩個大隊（後來又增加1個大隊），由羅日傑斯特溫斯基海軍中將統一指揮。這支倉促拼湊的艦隊，某些艦隻尚未完全建成就出海，邊航行邊安裝。官兵戰術技術水平低，有的甚至缺乏起碼的訓練，通訊聯絡靠德造無線電臺，德國技術員一走，電臺即形同廢物。官兵矛盾很深，士氣低落，特別是黑海艦隊水兵受過革命思想影響，具有反抗精神。
太平洋第2分艦隊原定1904年7月中出發，後因準備工作跟不上，推遲到10月中出發。航行路線預定從波羅的海經非洲南端好望角直到海參崴（後來在丹吉爾將艦隊一分為二：羅日傑斯特溫斯基率領較新較大的艦隻繼續沿好望角航行，其他艦隻由福克薩姆率領，經地中海和蘇伊士運河入印度洋，以後兩支部隊在馬拉加西沿海會合），全程3萬公里，中途一個基地也沒有。按照國際法規定，交戰國軍艦不得在中立國港口停泊，這一規定給艦隊造成了巨大困難。
艦隊出發時，由於日軍的一系列勝利，在俄軍中流行著嚴重的恐日病，幾乎到了草木皆兵的地步，甚至謠傳日本的秘密艦隊已到了北歐海域。在這種氣氛下，官兵精神緊張，艦隊航行初期，鬧出不少海軍史上罕見的大笑話。他們有時見到外國船就以為是日本艦隊而盲目開炮，甚至相距較遠的俄國艦艇也發生誤會，互相開炮。10月21-22日夜間在北海擊沉擊傷英國漁船的事件，引起國際風波（在巴黎召開國際法庭公審），英國政府藉此威壓中立國不得向俄國艦隊提供方便。俄國艦隊為了解決燃料問題，只得在海上加煤，有機會就儘可能多裝，以至甲板、機房、洗澡間，軍官臥室等一切空地都堆滿了煤炭，既降低了速度（超重），又影響工作和衛生，特別是經過赤道海域，水兵們痛苦不堪，非戰鬥減員嚴重，而這時俄國補給船送來的卻是幾千套冬裝（只有給陸軍送“神像”一事可與之相比擬）。
1904年12月底，羅日傑斯特溫斯基到達馬拉加西沿海，直到與福克薩姆會合後，才於1905年3月中旬繼續向遠東航行。這時船底已長滿了海藻，航速大幅下降。羅日傑斯特溫斯基重病初愈（請求辭職未準），其副手福克薩姆重病垂危。士氣極為低落，士兵自殺不斷髮生，甚至多次爆發“兵變”。
1905年4月8日羅日傑斯特溫斯基到達新加坡。海軍部命令他前往越南的金蘭灣，在該處等候涅博加托夫率領的太平洋第3分艦隊會合，然後北上，打敗日本艦隊，併到達海參崴。羅日傑斯特溫斯基艦隊進入金蘭灣，引起日本政府強烈抗議。法國海軍當局被迫勒令俄艦出境。1905年5月9日，太平洋第2、第3分艦隊在海上會合，聯合艦隊由羅日傑斯特溫斯基任司令，福克薩姆任副司令。
在俄國艦隊東調的過程中，日本東鄉艦隊進行了迎戰的充分準備。先是對艦艇進行維修保養，給水兵休假，養精蓄銳。2月份，全體人員歸隊，進行緊張的訓練演習。東鄉判斷俄國艦隊最可能透過北韓海峽，取最短捷徑到海參崴。因此，日艦隊主力在對馬海峽附近和日本沿海集結待機。同時在俄國艦隊可能經過的一些海上通道佈雷，組織監視，形成了一個龐大的預報網，其縱深達225公里以上。5月25日，俄國艦隊最後一次加煤，其數量足夠用到海參崴，造成超載。在此期間，副司令福克薩姆病死，羅日傑斯特溫斯基卻秘而不宣，甚至對當然的副司令繼任者涅博加托夫也保密，旗艦繼續掛福克薩姆的旗幟。5月27日，艦隊進入對馬海峽，爆發了著名的對馬海戰。雙方各有裝甲主力艦12艘，但日艦航速快（18-20節；俄艦15.5-18節），火力也佔優勢（日艦每分鐘可發射炮彈360發、總重量21949千克；俄艦每分鐘發射134發、總重量8190千克）。除此以外，日俄巡洋艦數量為16：8，魚雷艇數量為69：9，日方均佔優勢。
更糟糕的是，俄國艦隊經過220天的遠航，人員十分疲憊；同時又不注意偵察，對敵情一無所知；又沒有作戰預案，各艦長只知道集中火力打敵旗艦，並向海參崴方向逃跑。東鄉親率艦隊主力（4艘主力艦、8艘重巡洋艦）在北韓鎮海附近隱蔽待機。為使自己的艦隊有足夠的機動餘地，他決心讓俄國艦隊透過對馬海峽之後才出動。
1905年5月26日夜間，俄國艦隊透過日方第1道海上警戒線。日方偵察艦在遠距離上進行不間斷地跟蹤監視，並及時用無線電將情況報告東鄉。因此東鄉對俄國艦隊的實力、航向、航速和隊形瞭如指掌。27日晨，羅日傑斯特溫斯基發現了日本哨艦的行動，心情十分緊張。當時俄國艦隊成行軍隊形：第1、第2裝甲艦大隊在右翼，第3裝甲艦大隊和巡洋艦大隊在左翼，運輸船隊居中。11時後，羅日傑斯特溫斯基命令艦隊成戰鬥隊形：右翼2個大隊向左靠攏，開到左翼第3大隊前面，全艦隊成單排一列式（縱隊）。各艦航速不一，司令官沒有明確規定慢的加速，快的減速，結果造成大混亂。12時許，羅日傑斯特溫斯基忽然心血來潮，判斷日本艦隊可能以橫隊隊形向他攻擊，因此又命令俄國艦隊成橫隊隊形。於是艦隊開始進行復雜的機動動作。此時，羅日傑斯特溫斯基顯然由於擔心其戰鬥隊形過早被敵人發現，忽然又下令全艦隊恢復行軍隊形，再次引起大混亂。
13時40分左右，東鄉艦隊主力在右前方出現，成單排一列式，企圖截斷俄國艦隊的航線。臨戰前，東鄉對全艦隊發出訊號：“皇國興廢，在此一戰，諸位尤須奮發努力。”羅日傑斯特溫斯基再次下令成戰鬥隊形，但已經來不及了。東鄉截斷了俄國艦隊的航線，並在距敵35-38鏈的海域向左轉彎，劃了一個“U”字形（日本戰史稱之為“敵前大回頭”）。轉彎時，日本艦隊處於俄艦火力威脅之下，而且相當一部分艦艇無法回擊（視線和射界被己方艦艇遮蔽）。這個動作在當時海軍戰術上是違反常規的。但這時俄國艦隊正處於變換隊形的混亂之中，羅日傑斯特溫斯基雖然下令開炮，結果形成盲目射擊，浪費彈藥，並且喪失了戰機。日本艦隊完成了轉彎之後，首先集中火力猛攻俄國艦隊的旗艦，海戰開始半小時後，羅日傑斯特溫斯基的旗艦“蘇沃洛夫號”被迫退出戰鬥，羅日傑斯特溫斯基本人負重傷（後被俘投降）。其他幾艘旗艦也相繼被擊沉擊傷。俄國艦隊失去指揮，陷入一片混亂。
俄國艦隊力圖擺脫截擊的敵艦，但因為航速慢，沒有得逞。日艦則充分發揮其航速快的優勢，迅速機動，佔領俄國艦隊前進方向的有利位置，猛烈炮擊。雙方在煙霧迷漫之中進行了一場混戰。俄艦被擊沉擊傷多艘。16時許，海上起霧，東鄉裝甲艦隊與俄國裝甲艦隊一度脫離接觸，東鄉向北轉移。但日本巡洋艦隊和俄國巡洋艦隊正在偏南的海域進行激戰。18時半，俄國裝甲艦隊開往該海域參戰。直到此時，涅博加托夫才接管指揮權，並下令艦隊繼續北進。
當天夜間，東鄉又出動37艘魚雷艇和21艘驅擊艦，對殘餘的俄國艦隊實施魚雷攻擊。28日晨5時許，涅博加托夫率領僅存的少數艦隻向海參崴方向逃跑。9時許遭到日本艦隊圍攻，涅博加托夫始則懸白旗、繼而懸日本國旗投降。
這次海戰，俄國太平洋第2、第3分艦隊除3艘逃往海參崴之外，其餘全軍覆沒（包括擊沉、被俘和被中立國扣留），艦艇損失總計達27萬噸（比後來第一次世界大戰中著名的日德蘭海戰雙方損失的總和還大）。人員陣亡4830人，被俘5917人（不包括受傷和在外國港口被扣留者）。日方只損失魚雷艇3艘，人員陣亡僅117人，傷587人。