2月9日，由瓜生外吉海軍中將率領的一支日本艦艇編隊，在朝鮮西海岸仁川與2艘俄艦交戰，俄艦被迫自沉。日本艦隊的突然襲擊，給俄國艦隊造成了重大損失。日艦雖取得了海上的相對優勢，但還沒有完全掌握製海權，因為俄國艦隊沒有被全部消滅。日方海上交通線仍然受到一定程度的威脅。為了完全掌握製海權，日軍統帥部決定封鎖旅順口的俄國艦隊，並且不斷炮擊俄艦。從2月9日直到3月初，日方多次試圖封鎖俄國艦隊於旅順口，均未成功。
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，采取了一係列緊急措施，加強了旅順艦隊的行動。首先，他決定在遼東半島沿海地區布雷，防止日軍登陸並從後麵威脅旅順基地。同時改善旅順港口的防禦，加緊修複被打壞的艦艇，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。3月22日，馬卡羅夫率領艦隊出海挑戰，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采取積極行動。
遼東登陸
戰爭爆發後，俄國加速向遠東增兵。為防日軍在朝鮮和遼東半島沿岸登陸，俄軍作如下部署：“東滿”支隊(近2萬人)在鴨綠江右岸占領陣地；“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，在南烏蘇裏和海參崴還有近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)。
在俄日雙方爭奪製海權的同時，日本陸軍開始登陸。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)首先在朝鮮鎮南浦登陸北進。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，由紮蘇利奇中將指揮。 紮蘇利奇擁有近2萬人、62門炮，占領陣地已經1個半月，但沒有加強防禦工事。部隊分散配置在寬大的正麵上，對敵人可能進攻的方向胸中無數。隻構築一道綿長的塹壕，並且幾乎不加偽裝。占總兵力約半數的預備隊配置在10公裏以外。炮兵陣地完全暴露。 4月30日夜間，日軍發動進攻，企圖迂回俄軍左翼。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。但日軍兵力占優勢，其火炮從隱蔽陣地上發射，壓製了俄軍炮火。紮蘇利奇害怕被包圍，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。這是俄軍在地麵作戰中首次失利。紮蘇利奇部隊的撤退，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，企圖從北麵攻占旅順。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)，但隻派出1個團(3800人)在陣地上，其餘都作為預備隊，距前沿10～12公裏以外。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，隻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，徑向旅順撤退。日軍隨即占領金州和大連，並向旅順逼進。（俄日金州南山之戰）由於旅順地麵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公裏一線。日軍各路登陸得手後，於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。
旅順爭奪戰
隻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。不占領旅順，日軍無法在東北進行大規模的地麵作戰。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發動攻勢，責成他“對旅順的命運負責”。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盡可能使我們為難，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。6月14~15日，該軍在得利寺、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係被完全切斷。 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，6月下半月，第1、第2、第4(從大孤山登陸)3個軍開始向遼陽方向移動，企圖牽製俄軍於該地。 6月26日起，日軍恢複了遼東半島上的軍事行動。但占領了橫山等製高點以後，又轉入防禦，等待增援。1個月後，日第3軍恢複對旅順的攻勢。 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。7月30日，俄軍放棄旅順外圍最後一道天然屏障——狼山，福克師在該處一共隻堅守了半天。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，平均每門炮隻有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。
8月7日，日軍發動進攻。首次攻占要塞外圍前沿製高點——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。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。但由於威特赫夫特準備不周，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）。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，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。日軍奪占了一些前沿工事，但傷亡約2萬人(占總兵力1/3)，士氣低落，自傷者大有其人。俄軍也傷亡3500人。至此，日軍放棄了迅速攻占旅順的打算，改取長圍久困之計。
遼陽大會戰
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。現在第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占劣勢(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。 。
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”，他決定依托前沿工事，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采取消極等待的方針，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公裏，位於遼陽以南和東南約30公裏。第2道陣地全長22公裏，距遼陽約8公裏。第3道陣地緊靠遼陽城。全長15公裏。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8月23日，俄軍按計劃進入陣地，部署如下：右翼為南部集團(紮魯巴耶夫指揮的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。占領陣地的各個軍，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軍從正麵進攻，牽製俄軍主力；同時第1、第2兩個軍分別從東西兩麵迂回俄軍左右兩翼，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8月24日，日第1軍對俄軍東部集團實施兩翼迂回，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軍實施兩翼迂回。為此，日第1軍左翼的1個近衛師，在俄軍部署中打進楔子，出現在西伯利亞第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出現在西伯利亞第3軍的翼側，馬爾丁諾夫不等命令，主動改變行動方向，轉向西麵，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。
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，日軍緩慢迂回俄軍右翼。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。
日軍正麵進攻受阻，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日晨迂回俄軍左翼(5萬餘人)，與此同時加強對俄軍右翼的進攻。 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，企圖以迂回動作將日第1軍壓迫到太子河殲滅之。反擊定於9月2日開始。但9月1日夜間日軍進攻俄軍左翼集團，占領了該方向一係列重要的戰術要點，其中包括時官屯及其北麵的小高地饅頭山。在這種情況下，庫羅帕特金決定在實施全麵反擊之前，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。但這支臨時拚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，預備隊隻留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。俄軍一度收複饅頭山，但在日軍反擊下，陷於一片混亂，倉皇潰逃。
結果
時官屯一饅頭山戰鬥的失利，使庫羅帕特金有了放棄反擊計劃的借口。他不了解當時日軍已投入全部兵力，並且遭到重大損失，尤其是第1軍單獨與俄軍強大集團相對壘，處境不利。日方決定9月3日晨將第l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1.7萬人。到會戰結束時，俄軍大部分預備隊始終未投入戰鬥。9月3日俄軍向奉天撤退時，日軍無力組織追擊，直到9月4日才小心翼翼地進入遼陽。此役，日軍損失約2.4萬人。
沙河攻守戰
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公裏。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軍盡快從旅順解脫出來，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，仍然是依托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，要求庫羅帕特金發動攻勢，解旅順之圍，借以挽回帝國的“榮譽”，提高沙皇政府一落千丈的地位。
庫羅帕特金製訂的進攻計劃，是對渾河與太子河間之敵實施攻擊，並占領太子河右岸，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麵共50公裏，總的進攻速度，每晝夜不超過5公裏。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。10月8日，俄軍東部兵團（由73個步兵營和34個騎兵連組成）出現在日軍右翼。從該地區可以攻擊日第1軍翼側。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。部署在這個方麵的日軍，隻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。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（旅長閑院宮載仁親王）相配合，結果俄軍不得不於10月12日開始全麵退卻。日軍立即利用這一有利時機轉入進攻，日軍這一行動，導致一係列激烈的遭遇戰。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10月15日。日軍進展不大，隻是在某些地段將俄軍頂回沙河地區。大山決定在既得陣地上轉入防禦。
與此同時，庫羅帕特金決定10月16日晨在自己右翼發動進攻，以恢複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占俄軍左翼第1軍地段內具有決定意義的製高點萬寶山(位於沙河堡地區)。日軍占領該高地，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。
旅順的陷落
日方鑒於自己兵力不足，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，力爭盡快奪取旅順。
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，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。9月19日，日軍發動第2次強攻，迨至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，以大口徑榴彈炮襲擊俄國艦隊。12月15日，被俄國人稱為旅順俄軍防禦“靈魂”的康得拉欽科將軍斃命。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。隻要旅順牽製著大量日軍，隻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——製海權。
奉天大會戰
爆發因由
旅順陷落和俄國太平洋艦隊主力被殲，使日本獲得完全的製海權(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餘公裏的戰線上集結了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軍分別迂回俄軍兩翼，第1軍、第2軍、第4軍以正麵進攻牽製俄軍於沙河地區，並保障第3軍、第5軍的迂回運動。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)，正麵25公裏；中央為第3集團軍(比爾德林格指揮)，正麵20公裏；左翼為第1集團軍(李涅維奇指揮)，正麵45公裏。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，這樣就爆發了黑溝台會戰。