就在艦隊執行偵察任務的時間，在遼東地區的戰場上，日俄雙方的陸上戰鬥也己經進入到了最關建的時候。
雖然日本也答應接受英法兩國的調停，但一直都在積極的整軍備戰，準備進攻沈陽；當然俄軍也沒有把希望都寄托在英法兩國的調停上，同樣也在努力的從歐洲方向調集軍隊，並且以沈陽為核心，構築防線，同時也加強對華東政府的遊說行動，極力的鼓動華東政府出兵夾擊日軍。
到了2月下旬的時候，日軍已經在沈陽一線上集中了5個軍，共計約2 7萬軍隊，而俄軍也在沈陽聚集了35萬軍隊，雙方在綿延約100公裏的戰線上互相對持，劍拔弩張，大戰一觸即發。
不過俄軍雖然在總兵力上占有一定的優勢，而且又有防守的地利，但軍隊的士氣低落，物資彈藥也都有所不足。畢竟俄軍有超過一半是從歐洲方向緊急調過來的，但這時西伯利亞大鐵路還沒有完全建成，再加上俄國的辦事效率一慣的低下，因此能夠把軍隊從歐洲調到遠東來己經算是很不錯了，那還顧得上彈藥物資,反正先把人湊齊再說。
而日軍由於連戰連勝，全軍的士氣高昂，求戰的欲望極高，因此日軍司令部見狀，也決定發動奉天會戰，畢竟再拖下去，對日軍隻會越來越不利。
2月23日，日軍右翼第5軍率先從太子河上遊地區北進，向俄軍左翼第1集團軍迂回，俄軍主將庫羅帕特金元帥立即將右翼預備隊調去加強左翼的防禦，卻不知道這一舉正中了日軍的調虎離山之計。
2月27日，日軍第2、第3兩個軍開始迂回俄軍兵力薄弱的右翼實施突擊，這一變著頓時使俄軍陷入了困境中，而庫羅帕特金又倉促決定，把預備隊從左翼調回右翼。但由於部隊來回折騰疲於奔命，因此仍然無力阻擋日軍的進攻，俄軍的右翼陣地遭到日軍的連續突破，戰鬥進行到3月4日的時候，日軍第3軍已經突進到了接近奉天以北的鐵路線，戰況緊急。
雖然俄軍立刻又集中了8萬軍隊，向日本第3軍發動反擊，但日軍在主將乃木希典的指揮下，和俄軍連續進行了幾場血戰，令俄軍無功而返，而乃木希典指揮第3軍，繼續向奉天以北的迂回。
而在此期間，日軍在3月1日又對俄軍左翼也加強了進攻，雖然日軍的進攻在俄國左翼第1集團軍的頑強阻擊下，進展不大。但由於俄軍要抽調兵力支援右翼，從而削弱了右翼的兵力，因此庫羅帕特金決定將左翼的第1、3集團軍後撤，以縮短戰線，節省兵力。
但日軍抓住了左翼俄軍後撤的戰機，向俄軍發動猛攻，在3月9日成功的突破了俄軍防線，從左翼迂回奉天的側後方。而在同一天，右翼的日本第3軍己經迂回到了俄國第2集團軍後方，左右兩翼幾乎是齊頭並進，俄軍麵臨被全麵包圍的危險境地。
麵對著危急的局麵，庫羅帕特金失去了堅守的勇氣，於3月9日夜間下令放棄沈陽，全軍向鐵嶺方向撤退。但由於俄軍糟糕的組織能力，使得撤退變得極為混亂，大量的物資被拋棄，而本應負責斷後掩護的騎兵竟於步兵和炮兵撤退，而攜帶的輜重太多，以至堵塞了道路，部隊又屢屢遭到日軍炮擊。
好在是經過了連日的激戰，也使日軍十分疲勞，而且彈藥也出現缺乏，這到不是日軍的調度、組織出了問題，而是日本國內的產能有限，戰爭的潛力己達經到了極限。因此也無力再追擊俄軍，隻是在3月1 0日進駐到俄軍放棄的沈陽城，3月1 1日，日第1、第3軍在渾河地區會師，進而占領了昌圖。而俄軍則一直逃到了四平才穩住陣腳。
至此，奉天戰役全部結束，雙方在昌圖至四平之間的地區再度對持起來，隻不過日軍將陣線向北推進了約150公裏。
奉天戰役是日俄戰爭開戰以來進行的最大規模、兵力最多、持秩時間最長的一次會戰，雙方投入的兵力共計超過了60萬，戰線超過了200公裏，時間長達17天，戰爭以日軍的獲勝而告終，日軍傷亡約7萬餘人，而俄軍傷亡11萬5千餘人，而且基本退出了遼東半島的範圍。
而在奉天戰役結束之後，歐洲各國的輿論幾乎都一至認為俄國已經輸掉了這場戰爭。法國政治家格萊曼認為：“這場戰爭將改變世界的格局，日本將跨入強國之列，而法俄同盟已變成了法國的負擔。”
就連俄國的報紙也強調應結束戰爭了：“俄國已陷入全般絕望之處境，現在放棄殖民地政策並非恥辱。”