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，準備進攻瀋陽；當然俄軍也沒有把希望都寄託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，並且以瀋陽爲核心，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，日軍已經在瀋陽一線上集中了5個軍，共計約2 7萬軍隊，而俄軍也在瀋陽聚集了35萬軍隊，雙方在綿延約100公里的戰線上互相對持，劍拔弩張，大戰一觸即發。
不過俄軍雖然在總兵力上佔有一定的優勢，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yuwang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，對日軍只會越來越不利。
2月23日，日軍右翼第5軍率先從太子河上游地區北進，向俄軍左翼第1集團軍迂迴，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3兩個軍開始迂迴俄軍兵力薄弱的右翼實施突擊，這一變着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迴。
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，從左翼迂迴奉天的側後方。而在同一天，右翼的日本第3軍己經迂迴到了俄國第2集團軍後方，左右兩翼幾乎是齊頭並進，俄軍面臨被全面包圍的危險境地。
面對着危急的局面，庫羅帕特金失去了堅守的勇氣，於3月9日夜間下令放棄瀋陽，全軍向鐵嶺方向撤退。但由於俄軍糟糕的組織能力，使得撤退變得極爲混亂，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，只是在3月1 0日進駐到俄軍放棄的瀋陽城，3月1 1日，日第1、第3軍在渾河地區會師，進而佔領了昌圖。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，只不過日軍將陣線向北推進了約150公里。
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公里，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爲俄國已經輸掉了這場戰爭。法國政治家格萊曼認爲：“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。”
俄國前財務大臣維特也在給沙皇尼古拉二世的建議書中表示：“繼續戰爭危險重重”，理由是繼續戰爭將造成財政失衡、加重國民負擔，引發社會不滿、衝突和動盪；相比之下，國內更需要軍隊，因此應該立刻與日本進行瑣判等等。
而剛收到奉天戰役失利的消息，尼古拉二世也十分震驚，立刻就招開御前會議，討論戰爭的進程，不過在會議上，卻沒有一個人提出結束戰爭或與日本談判，而是仍決定繼續戰鬥。
海軍大臣阿維蘭表示：“波羅的海艦隊尚在，必要時可投入全部海上力量，贏取海上勝利，孤立滿州日軍。”
陸軍大臣薩哈羅夫也表示：“陸軍可以向滿洲再輸送60萬步兵、3.2萬騎兵和兩千門火炮以及大量的軍需物資，完全可以扭轉戰局。”
而皇叔阿列克謝伊大公也認爲戰爭還沒有到無法挽回的地步，奉天戰役雖然失利，但是由於日軍首先發動進攻，這對英法兩國主導的調停是極大的蔑視態度，肯定會對日本的行爲極爲不滿，而英國是日本背後的最大支持者，因此俄國可以趁機分化英日的關係，至少可以令英國對日本的支持不那麼堅定，這樣就可以打擊日本的戰爭潛力；另外就是還有海外華人這個大變數的存在。
在奉天會戰之前，華東政府和日本的關係己經明顯惡化，而和俄國在逐漸接近。不過華東政府和俄國的接近，主要是俄國單方面在努力，華東政府的態度則十是暖昧，對俄國的示好，雖然也保持比較善意回應，但並沒有明確的表態，更是沒有實際的行動。只是和日俄開戰之前相比，確實到是明顯的改善。
不過俄國也明白華東政府的用意，一則是俄國並沒有讓出一些實質性的利益，華東政府也是不見兔子不撒鷹的主，當然不會輕易的表態；二則是華東政府也是想坐視日俄交戰，打成兩敗具傷，這樣纔好從中取利。
但現在俄國己經被日本擊敗了，華東政府想必也應該有所行動，否則等俄國真和日本講和了，那麼日本就可以專心來對付華東政府，這樣的局面對華東政府也是極爲不利的。當然俄國可以在外交上更爲主動一些，積極和華東政府協商，爭取讓華東政府早日加入戰局來。
聽了大臣們的建議之後，尼古拉二世的心裡也安穩了不少，俄國果然還沒有到山窮水盡的地步，而且手裡還有不少好牌可以出的，仍然還有不小的機會可以挽回敗局，於是尼古拉二世也決定，將戰爭繼續進行下去，不考慮和日本進行談判。
當然，奉天會戰的失利，也必須有人爲此承擔責任，因此尼古拉二世下令，免除遠東總督阿列克塞耶夫的職務，將其調回聖彼得堡，又將遠東陸軍總司令庫羅帕特金降職爲第1集團軍司令官，由林涅維奇接任遠東陸軍總司令，付責全面指揮遠東地區的戰鬥，同時繼續向遠東增兵，又責令太平洋第2分艦隊司令官羅日傑斯特溫斯基，加快速度，儘快趕到遠東參戰。
而在外交層面，俄國命駐青島領事彼得洛夫再和華東政府接觸，可以直接像華東政府提出聯手對付日本的建議，看看華東政府是什麼態度，或者有什麼條件，只要是能談就行。同時又向英法兩國提出交涉，指責日本破壞了調停，並要求英法兩國對日本的行爲進行干涉。另一方面也加強和德國的協商，緩和關係，這樣可以從歐洲方向多抽調兵力去遠東，又能給法國施加壓力，讓法國繼續支持俄國。
其實英法兩國對日本發動奉天戰役的行爲也相當的惱火，這等於是打了英法兩國的臉；由其是英國，因爲全世界都知道，日本其實是英國的小弟，法國甚致直接向英國提出，要求英國管好日本，對外更是宣稱，日本破壞了遠東地區的和平進程，必須爲此負責。
而英國也是有苦說不出，誰知道日本竟然完全不受控制呢？其實日本發動奉天戰役之前，就曾向英國通報過，認爲俄國只是在利用英法兩國調停的時間向遠東地區增加兵力佈置，因此這種調停本身是嚴重損害日本利益的，日本必須要率先發動奉天戰役。那怕是背上破壞和平進程的名議也再所不惜。也希望英國能夠理解日本的做法。
其實英國政府當然能夠理解日本的做法，換了是英國，也同樣會釆用相同的做法，但英國有英國的立場，需要的是一個能夠控制的日本，而不是一個給自己找麻煩的日本。