時間已經到了9月12日，日軍第一軍在軍長黒木為楨的親自率領下，已經抵達了海城北麵，如果被日軍的第四軍與第一軍形成合圍，俄軍第4軍2。6萬人將無法阻止日軍將近10萬人的圍攻。因此紮魯巴耶夫毫不猶豫下令軍隊連夜向北突圍，撤出海城。
9月13日，日軍第四軍向海城發起進攻，卻發現海城空無一人，俄軍逃向遼陽，而城中的中國老百姓早就逃入遼河以西了。
在東三省總督張蔭恒和第三軍團司令冉東的指揮下，在張作霖等本地軍官的煽動下，遼東百姓逃入走著十之八九，這給日俄雙方製造了極大的困難。這一場海城戰役之所以比曆史上遲了一個月才打響，其原因和中國人在遼東施行的堅壁清野有著很大的關係。
在得到一座空城之後，日軍已經占領了遼陽以東和遼陽以南的全部地區，大山岩開始準備向遼陽發起進攻了。
庫羅巴特金視遼陽為重要戰略之地，俄軍在遼陽及其外圍構築了大量的堅固工事，。
遼陽城防工事外圍，俄軍構築了三道防線：
由鞍山東連高峰寺，大甸子、弓長嶺、八盤嶺、寒坡嶺至紅沙嶺，為第一道防線。
由沙河鎮東連四方台、湯和沿、孫家寨，左至石咀子的小山脈，為第二道防線。
距城防工事３—４公裏，右由首山堡至方家屯、孟家房、虎頭崖；左經太子河至施宮屯、黑英台、岩州城一線，為第三道防線。
而在遼陽城中，庫特帕羅金把遼陽城牆鑿成隧道１０處，在城外修築很多公路，縱橫如織。沿公路又修建了大量碉堡群，每個碉堡設炮數門。在碉堡外麵挖掘塹壕，寬１．８米，深１．２米，壕內遍插木樁，或架設鐵絲網，挖狼阱，埋地雷。在壕外，也架設鐵絲網，設狼阱。在陣地背後，有甬道可通炮車。在太子河右岸土城丘上排列重炮，以掩護堡壘。
庫特帕羅金等著日軍一頭撞在他的銅牆鐵壁之上，早日收拾日軍。
日本滿洲軍總司令官大山岩采取進攻戰術，他指揮三個軍，秣馬厲兵，積極準備進攻遼陽。為了攻克遼陽，大山岩首先把滿洲軍總司令部移至海城。
9月15日，大山岩進攻遼陽作戰計劃形成：
第一軍的主力在太子河左岸，從遼陽東麵進攻俄軍；
第二軍（缺一個師團）從遼陽至海城鐵路西側地區進攻俄軍；
第四軍從遼陽至海城鐵路東側地區進攻俄軍；
總預備隊（一個師團）在總司令官的指導下，在遼陽至海城鐵路附近的位置準備策應。
隨後，大山岩將作戰計劃分法給各個部隊，各部隊按照指定計劃開始調整軍隊後勤並將傷兵運回國內，日軍的野戰醫院中傷兵遍地，前來視察的大山岩元帥也憂心忡忡，更讓他擔憂的是，這些天秋雨到來，導致道路泥濘不堪，後勤運輸壓力倍增。東北黑土地適合種植糧食，但相對鬆軟的土地卻讓交通運輸變得極為麻煩，日軍得不到足夠的補給，隻能就地搶劫中國百姓獲得補給。
得益於張蔭恒與冉東的宣傳，遼東十室九空，日軍也得不到什麼補給了，而俄國人依靠著鐵路，反倒比他們壓力更輕。這也是大山岩不顧傷亡猛攻的原因之一，他想要在冬季到來之前解決戰鬥，如果到了冬季，俄國可以從貝加爾湖的冰麵上將武器彈藥運到西伯利亞大鐵路，俄國人將得到有效補給，最終拖死日本。
9月17日，大山岩得到滿洲情報機關長青木宣純的報告，中國軍隊將提前發起對俄之戰，具體時間將定在9月20日，而不是9月25日。但是中國人並沒有通知給日本人，或許中國人處於什麼不可告人的秘密吧。從中日雙方合作上來說，中國人雖然也希望打敗俄國人，但是並不希望和日本人關係太深。尤其是在兩個月前，中國軍隊已經將所有日本教官如數送回，盡管說增強了日本滿洲軍的實力，但是也從此之後將日本在中國軍隊的影響力降到最低。中國人從日本人身上學到了本事，然而日本人迄今為止還不知道中國軍隊的看家本領——當然，日本教官也不認為中國人有什麼看家本領。
日本滿洲軍司令部內，大山岩與手下們終於放下心來，大山岩設計了一下，如果中國人的總攻時間是9月20日的話，那麼日軍則延遲總攻的時間，等中國人和俄國人攪在一起，俄國人向中國軍隊反擊的時候，日本再坐收漁翁之利對俄國背後一擊。
大山岩的想法非常美妙，但是結果卻並不如他所預料的一樣，因為中國的對俄宣戰時間雖然定在9月20日，可是主攻的地點卻不是遼東，而是北亞的伊爾庫斯克，俄軍亞洲最大的軍火補給站。