到1904年秋，滿洲軍增至21.4萬人，火炮758門。日軍為17萬人，火炮648門。兵力上的優勢使俄軍指揮部能夠轉入進攻。然而，10月5~17日在沙河展開的遭遇交戰卻不分勝負。雙方損失慘重，因喪失進攻能力而轉入防禦。在沙河首次建立了綿亙正麵，戰鬥也具有了陣地戰的性質。
隨著兵力對比的變化及日軍轉入防禦，日軍在滿洲的態勢更為複雜。因此，大山決定在最短時間內攻占旅順口，以便將圍困旅順口的10萬軍隊騰出來在主要方向上作戰、雖然日軍發動的各次強攻都被擊退，但是斯特塞爾將軍和福克將軍不顧軍事會議的意見，於1905年1月2日將旅順口讓給日本人。
1905年1月，俄第l、2、3集團軍占領沙河幾乎100公裏的綿亙防禦正麵。1月25~28日，俄軍指揮部企圖在敵第3軍團從旅順口附近抵達之前，在沈旦堡交戰中將其擊敗。但進攻兵力有限，未獲勝利。日軍指揮部將第3軍團調來並新組建了第5軍團後，於2月19日發起了進攻。在奉天交戰中，俄軍大敗，退至預有準備的四平街陣地。1905年3月中旬起，陸地戰場的頻繁的戰鬥活動實際上已經停止。失敗使俄軍的戰鬥士氣一蹶不振。
然而俄國1905年開始的革命卻給了軍隊以巨大影響。奉天交戰後，日軍也表現消極。戰爭使雙方民窮財盡。但到戰爭結束前，俄軍和日軍在戰區的人數分別增加到78.8萬人和75萬人。沙皇政府在戰爭中孤注一擲，重建了太平洋第2區艦隊和太平洋第3區艦隊第1中隊，它們分別於1904年10月和1905年2月，從波羅的海開往遠東。1905年5月27日，它們在對馬海峽同兵力占絕對優勢的日本艦隊遭遇，並在對馬海戰中被殲。9月5日在樸次茅斯市簽訂了樸次茅斯和約。俄國承認朝鮮為日本的勢力範圍，將薩哈林島南部割讓給日本，把旅順口、大連及毗連的領土和中東鐵路南支線的租借權轉讓給日本。沙皇製度在遠東的政策徹底破產了。列寧指出：“不是俄國人民，而是專製製度遭到了可恥的失敗。”俄國在戰爭中損失約27萬人，其中陣亡5萬多人。日本損失27萬人，其中死8.6萬多人。日本在英美的廣泛支援下取得了日俄戰爭的勝利。英美借給日本貸款共4.1億美元，約占日本軍費的40%。沙皇政府的遠東冒險遭到慘重失敗，帶來巨大犧牲，因而引起了俄國各族人民的憤怒，加速了第一次資產階級民主革命的爆發。
俄國在日俄戰爭中失敗的主要原因是：社會政治製度反動和腐朽，人民厭惡戰爭，經濟與軍事組織落後以及軍隊指揮方法不當和最高統帥部的消極防禦戰略。戰區距國內中部地區遙遠也起了消極作用。
日俄戰爭是帝國主義時代的第一個大戰，它表明，一個國家的軍事經濟潛力和精神因素對奪取勝利具有決定性的作用。列寧在1905年寫道：“一個國家的軍事組織和它的整個經濟文化製度之間的聯係，從來還沒有像現在這樣密切。”日俄戰爭對軍事學術的發展產生了極大影響。戰爭期間，俄國和日本各動員了120萬人加入自己的軍隊。在日俄戰爭過程中，首次廣泛使用機槍和速射炮。出現了迫擊炮、輕機槍和手榴彈，獲得了將無線電、觀測氣球、探照燈和高壓電流鐵絲網等等運用於軍事目的的初步經驗。軍事行動有了廣大規模，超出了戰鬥和交戰的範圍。
在戰爭過程中出現了許多集團軍和方麵軍戰役的特點，在客觀上為軍事學術的新領域——戰役學的產生創造了先決條件。構築有掩體、掩蔽部、鐵絲網的長達數十公裏的防禦陣地代替了過去的築城工事。防禦開始有了縱深。由於新兵器的使用和火力的增強，密集的步兵行動和白刃突擊失去了原有的作用。爭取獲得對敵火力優勢和在戰鬥中各軍種的密切協同具有頭等重要意義。軍隊開始較好地利用地形和進行迫近作業。夜間戰鬥行動得到廣泛推廣。日俄戰爭中，俄軍炮兵首次在戰鬥條件下從遮蔽發射陣地進行射擊。後勤保障的作用不斷增長，因為戰鬥結局在很大程度上取決於此。戰鬥命令代替軍令而用於軍隊指揮的實踐中。
日俄戰爭對發展海軍學術也起了重要作用。它揭示出必須進一步提高戰鬥艦艇的速度，加強其火力和裝甲防護，提高其觸雷後的生命力。戰爭經驗證明大口徑遠程火炮是艦隊的主要武器。在日俄戰爭進程中，取得了巡洋艦在敵海上交通線行動的經驗以及海上夜間戰鬥行動的經驗。首次使用了潛艇和水雷。戰爭表明，陸海軍協同動作的意義正在不斷增長。