就在舰队执行侦察任务的时间，在辽东地区的战场上，日俄双方的陆上战斗也己经进入到了最关建的时候。
虽然日本也答应接受英法两国的调停，但一直都在积极的整军备战，准备进攻沈阳；当然俄军也没有把希望都寄托在英法两国的调停上，同样也在努力的从欧洲方向调集军队，并且以沈阳为核心，构筑防线，同时也加强对华东政府的游说行动，极力的鼓动华东政府出兵夹击日军。
到了2月下旬的时候，日军已经在沈阳一线上集中了5个军，共计约2 7万军队，而俄军也在沈阳聚集了35万军队，双方在绵延约100公里的战线上互相对持，剑拔弩张，大战一触即发。
不过俄军虽然在总兵力上占有一定的优势，而且又有防守的地利，但军队的士气低落，物资弹药也都有所不足。毕竟俄军有超过一半是从欧洲方向紧急调过来的，但这时西伯利亚大铁路还没有完全建成，再加上俄国的办事效率一惯的低下，因此能够把军队从欧洲调到远东来己经算是很不错了，那还顾得上弹药物资,反正先把人凑齐再说。
而日军由于连战连胜，全军的士气高昂，求战的欲望极高，因此日军司令部见状，也决定发动奉天会战，毕竟再拖下去，对日军只会越来越不利。
2月23日，日军右翼第5军率先从太子河上游地区北进，向俄军左翼第1集团军迂回，俄军主将库罗帕特金元帅立即将右翼预备队调去加强左翼的防御，却不知道这一举正中了日军的调虎离山之计。
2月27日，日军第2、第3两个军开始迂回俄军兵力薄弱的右翼实施突击，这一变着顿时使俄军陷入了困境中，而库罗帕特金又仓促决定，把预备队从左翼调回右翼。但由于部队来回折腾疲于奔命，因此仍然无力阻挡日军的进攻，俄军的右翼阵地遭到日军的连续突破，战斗进行到3月4日的时候，日军第3军已经突进到了接近奉天以北的铁路线，战况紧急。
虽然俄军立刻又集中了8万军队，向日本第3军发动反击，但日军在主将乃木希典的指挥下，和俄军连续进行了几场血战，令俄军无功而返，而乃木希典指挥第3军，继续向奉天以北的迂回。
而在此期间，日军在3月1日又对俄军左翼也加强了进攻，虽然日军的进攻在俄国左翼第1集团军的顽强阻击下，进展不大。但由于俄军要抽调兵力支援右翼，从而削弱了右翼的兵力，因此库罗帕特金决定将左翼的第1、3集团军后撤，以缩短战线，节省兵力。
但日军抓住了左翼俄军后撤的战机，向俄军发动猛攻，在3月9日成功的突破了俄军防线，从左翼迂回奉天的侧后方。而在同一天，右翼的日本第3军己经迂回到了俄国第2集团军后方，左右两翼几乎是齐头并进，俄军面临被全面包围的危险境地。
面对着危急的局面，库罗帕特金失去了坚守的勇气，于3月9日夜间下令放弃沈阳，全军向铁岭方向撤退。但由于俄军糟糕的组织能力，使得撤退变得极为混乱，大量的物资被抛弃，而本应负责断后掩护的骑兵竟于步兵和炮兵撤退，而携带的辎重太多，以至堵塞了道路，部队又屡屡遭到日军炮击。
好在是经过了连日的激战，也使日军十分疲劳，而且弹药也出现缺乏，这到不是日军的调度、组织出了问题，而是日本国内的产能有限，战争的潜力己达经到了极限。因此也无力再追击俄军，只是在3月1 0日进驻到俄军放弃的沈阳城，3月1 1日，日第1、第3军在浑河地区会师，进而占领了昌图。而俄军则一直逃到了四平才稳住阵脚。
至此，奉天战役全部结束，双方在昌图至四平之间的地区再度对持起来，只不过日军将阵线向北推进了约150公里。
奉天战役是日俄战争开战以来进行的最大规模、兵力最多、持秩时间最长的一次会战，双方投入的兵力共计超过了60万，战线超过了200公里，时间长达17天，战争以日军的获胜而告终，日军伤亡约7万余人，而俄军伤亡11万5千余人，而且基本退出了辽东半岛的范围。
而在奉天战役结束之后，欧洲各国的舆论几乎都一至认为俄国已经输掉了这场战争。法国政治家格莱曼认为：“这场战争将改变世界的格局，日本将跨入强国之列，而法俄同盟已变成了法国的负担。”
就连俄国的报纸也强调应结束战争了：“俄国已陷入全般绝望之处境，现在放弃殖民地政策并非耻辱。”