俄军的作战计划是：进攻分为左右两个集团组成，东部兵团（左）甴西伯利亚第1、2、3军和西伯利亚骑兵师组成，司令是施塔格里堡中将，负责从右翼进行包抄，对日军右翼施加决定性的打击，从东南方横切，截断日军的朝鲜半岛补给线，并包抄日军侧后部。；西部兵团（右）甴第10、17军，西伯利亚第5军和乌苏里骑兵团、沿海龙骑兵团等组成，司令是比尔丹林上将，负责牵制日军左翼，吸引日军。另外由西伯利亚第4、6军、第1军乃扎巴伊卡尔骑兵师、科卡萨斯骑兵旅为预备队。而日军也同样分成东部和西部两个兵团应战。
10月11日，俄军东部兵团以西伯利亚第1、3军为两翼开始攻击日军驻守的本溪湖防线，守卫本溪湖的是梅泽道治少将指挥的近卫后备步兵旅团的8个大队（营），第12师团14连队（团）。结果日军己明显劣势的兵力守住了防线。双方激战了一天，日军各部均陷入苦战，有的用尽了预备队已无兵可调，有的则是损失极大，许多中队小队失去了全部军官，士兵伤亡极大，部分小队甚至全部阵亡。而俄军是进攻方，损失更大，仅西伯利亚第3军就伤亡了3000余人。
而负责牵制的俄军西部兵团却遭到日本的沉重打击，各路进攻的俄军均被日军击败，由其是在12日凌晨，日俄双方围绕着战场要点三块石山展开了激烈的争夺。三块石山位于北大山西面，是由三个大花岗岩组成兀在平野上的石头山，海拔114米，能够防止日军进入北大山，保护西部兵团的侧背面，从而维持东西兵团的连接，守卫三块石山的俄军有2个团和一个炮兵旅。
双方从凌晨1点开始战斗，一直打到了正午10点，日军投入了1个旅团的兵力，付出了1500余人的伤亡，终于攻下了三块石山。
不过尽管日本付出了惨痛的代价，但却一举获得了战场的主动，由于俄军东西兵团的连接被切断，造成了俄军的混乱，加上俄军的士气本来就不高，因此西部兵团的西伯利亚第4军和第10军率先撤退，造成了一个大空档，而东部兵团也只能被迫后撤，很快俄军就形成了全面退却。
但日军由于兵力不足，无法趁胜进军，扩大战果，只能被迫再次在既得阵地上转入防御，只能在局部重点地区发动进攻，10月15日夜间，日军奇袭攻占了俄军阵的制高点万宝山，形成了对俄军防御中心的威胁。俄军随后展开反击，经过了两日激战，俄军以伤亡3000人的代价，终于重新夺回了万宝山，保住了自己的阵地。然后双方都无力再战，各自巩固既得阵地，加修工事形成对峙。
沙河会战结束，俄军伤亡4万余人，其中战死5084人，失踪5868人；日军伤亡2万余人，其中战死4099人。日本虽未取得全胜，但伤亡只有俄军的一半，而且不仅守住了自己的阵地，同时将防线向前推进了一步，并为日本下一步进攻奉天创造了一个不错的局面。
总体来看，日军虽然没能攻克旅顺，但也彻底切断了旅顺对外的联系，只用一个军的兵力就能够困住旅顺城里的守军，并且只用少量军舰就将太平洋舰队的残余军舰完全封锁在港口里，将制海权基本完全让给了日本。而在北线，日军连续取得了辽阳会战，沙河会战的胜利之后，日本已经取得了极大的战略优势，俄军已被迫退守奉天，并以奉天为核心，组织防御，总体形势十分被动。
到这个时候，日本国内对战争的结果都十分乐观，认为俄国己没有抵抗之力，日本已是胜券在握了，更有报纸甚致预测，最早到今年年底，最迟到明年的2、3月份，就可以结束了。因此不少媒体开始渲染这是一场比日清战争更伟大的胜利，标志着日本进入世界一流强国的行列，还有报纸则开出了停战的条款，认为日本可以获得8--10优日元的赔款，并且获得包括中国东三省、页叶岛、海参崴再内的土地等等。
但就在这时，从欧洲传来消息，为了挽回战争局面，俄国己将波罗的海舰队及黑海舰队一部军舰组成了第二太平洋舰队，由罗日杰斯特文斯基担任司令官，开赴远东参战，舰队己于10月15日，从欧洲拔锚。而且从帐面上看，这支舰队确实十分强大，共有7艘战列舰，2艘装甲巡洋舰，6艘防护巡洋舰，9艘驱逐舰。因此欧洲媒体的评论是：“日本到此为止所作的一切努力，都将在俄国太平洋第二舰队到来之后土崩瓦解。
原来在辽阳会战之后，几乎所有的欧洲媒体都认为，俄国的失败已经由“可能不可能”变成了“早与晚”的时间问题。沙俄当然不会束手就擒。当俄国组建满洲第二集团军准备将战争无限期进行下去的消息传出后，巴黎证券交易所内所有与俄国有关的证券都狂跌不止，作为俄国最大的债权国、盟友法国己经明确向俄国表达了希望停止战争的愿望。
而俄国政府也十分清楚现在远东的局势十分危机，其实在俄国內部，一直都有反对这场战争的声音，当然不是爱好和平，而是认为有比战争更好的手段，于是这时也纷纷进言，认为应该结束战争，否则会造成国內重大的政治危机，毕竟苗头己经出现了，但沙皇尼古拉二世认为也决不能坐视远东的战事失败，不仅有失俄国的面子，堂堂北极熊，居然被黄皮猴子打败，这让战斗民族情何以堪了，至于政治危机，沙皇认为获得战争的胜利是化解危机最好的方法，因此必须加大对远东的军事投入。于是沙皇下令，从欧洲调遣陆军，増援远东。