1904年9月13日，德皇威廉二世慫恿沙皇向東三省增兵，並認為可以獲勝，沙皇覺得有道理，但他還沒來得及增兵，日軍就集中第二師團、第三師團、第四師團、第五師團、第六師團、第十師團12萬多人、488門火炮發動了沙河會戰，此時俄軍雖放棄了遼陽，卻在兵力上占優勢。遼陽會戰中，俄軍預備隊大部分沒投入戰鬥，保存完整。但庫羅帕特金卻不想冒險向日軍發起反攻，仍憑堅固工事等待日軍來打。9月27日，沙皇催他進攻，庫羅帕特金不得已製訂出在渾河和太子河之間同日軍作戰，把日軍趕過太子河，從而收複遼陽的計劃，但該計劃是紙上談兵，俄軍缺乏周密部署和準備，甚至連必要的作戰地圖都沒有。而且左翼集團軍在山地作戰卻缺乏山炮。
10月2日，庫羅帕特金發表講話說：“我軍兵力充足，裝備精良，足以戰勝日軍。遼陽失守後全軍上下都渴望向日軍主動出擊，殲滅敵人，現在同日軍會戰的時機成熟了，使日本人屈從俄國人意誌的時機既然已經到來，我軍應勇猛殲敵。”
但日軍統帥大山岩的部下在戰鬥中從俄國軍官屍體上搜出了作戰計劃，借此大山岩獲悉了俄軍作戰動向，並以此製定自己的計劃，以逸待勞盡最大可能消耗俄軍，通過有效的防禦使俄軍疲憊不堪，然後再以精銳部隊投入反攻，所以他對俄軍的多次挑戰均拒戰。
10月5日俄軍發起進攻，當俄軍進展順利時庫羅帕特金卻令俄軍暫停進攻，準備查明情況後製訂作戰計劃。日軍得此喘息機會後開始反攻，11日俄軍炮兵向日軍陣地猛轟，庫羅帕特金親臨督戰。戰鬥中俄國陸軍多次發起衝鋒，都被日軍擊退。日軍隨即趁濃霧掩護奪取了本溪湖東部山丘，俄軍處境日趨危急。日俄戰鬥不分白天黑夜地進行，由於雙方相距很近，而且又是大部隊以密集隊形投入，炮兵毫無用武之地，而多以白刃戰結束戰鬥。爭奪戰中日軍往往來不及喘息便陷入俄軍反擊中，隻好又撤退，等待下一輪攻擊開始，身後又留下一片狼藉的血屍。經常，在俄軍白天反擊中日軍不得不撤退，隨後又發起新一輪猛烈攻勢，有時一天能進行幾個回合，戰火就這樣持續著。
日俄雙方都覺得這樣不是個事，於是都啟用了炮兵，大量的炮彈和炸彈傾瀉在這裏，戰場上隻見一片焦土。茂密的森林化為灰燼，整個戰場讓人感受不到一點生的氣息，本溪湖東部山丘成了火海，成了墳場。雙方將士的屍體一層層疊在陣地上，還沒來得及抬走，就被新發射過來的炮火炸成肉泥。
14日，日本陸軍中將載仁率軍將俄軍打退至沙河以北。這天德皇致電沙皇，說：“日本兵力財力已枯竭，應繼續進行戰爭。”隨後沙皇複電說：“不把日本人趕出東三省絕不停戰！”
15日夜，日軍奇襲萬寶山成功。日軍夜襲萬寶山的成功對俄軍構成嚴重威脅，10月16日，庫羅帕特金令俄軍不惜一切代價奪回這一戰略要地，總攻開始了，一聲尖利的嘶叫撕裂了天邊的沉寂，五顆由迫擊炮發射的信號彈同時升上天空，又劃著弧線垂落下來。俄軍所有的大炮同時發射，一發發炮彈衝出炮膛，帶著震耳欲聾的呼嘯衝向日軍陣地。戰場上火光衝天，天地間像一個燒紅了的火爐，到處是火光，到處是硝煙，日本人的碉堡在巨大的爆炸聲中迸裂、坍塌，碉堡裏的日本兵一個個就像玩具一樣被炸飛上了天。在這排山倒海的轟擊中每一分鍾就有數千發炮彈傾瀉在日軍陣地上，原本藍色的天空此時被爆炸的濃煙和烈火熏得一片昏黃。
最終俄軍以傷亡3000人為代價奪回萬寶山，沙河會戰結束。此戰日軍死了2萬人，俄軍死了4.14萬人（參戰22.16萬人）。
戰後禦前會議上，明治天皇那隻有力的大手握著一支粗大的鉛筆，那隻手緩緩地凝重地在沙河地區上劃出幾個巨大的紅色箭頭，箭頭流著血，含著淚，燃著火，怒射向東北大地上最後的一塊藍色——奉天（日俄戰爭地圖以紅色表日本，藍色表俄國）。