日军部署与此不同，它把全部兵力投入战场，不留任何预备队，因此它在总兵力对比上是劣势，但在俄军两翼却造成了兵力优势。日军的计划是对俄军实行围歼。第4军（司令官野津道贯陆军大将，参谋长上原勇作少将）从正面进攻，牵制俄军主力；同时第1、第2两个军分别从东西两面迂回俄军左右两翼，以右翼为主攻方向。这是一个以少数包围多数的大胆计划。
辽阳会战始于2月24日，日第1军（司令官黑木为桢陆军大将，参谋长藤井茂太少将）对俄军东部集团实施两翼迂回，企图把俄军的注意力吸引到左翼，迫使库罗帕特金把他的预备队调到左翼，从而削弱其右翼，为日军第2、第4两个军进攻俄军右翼（主攻）创造有利态势。
俄军左翼的战斗一开始就很激烈。日方利用俄军暴露的翼侧，决定对西伯利亚第3军实施两翼迂回。为此，日第1军左翼的1个近卫师，在俄军部署中打进楔子，出现在西伯利亚第3军的翼侧。为增援西伯利亚第3军，俄方立即投入预备队，其中包括马尔丁诺夫上校指挥的1个团。该团在行军途中获悉日军已出现在西伯利亚第3军的翼侧，马尔丁诺夫不等命令，主动改变行动方向，转向西面，从高粱地隐蔽机动到日军近卫师的翼侧，突然以刺刀白刃战打退日军近卫师，形势转而对俄军有利。这是俄国军官发挥主动性的罕见的一例。但俄军东部集团指挥部不敢利用这一有利形势扩张战果，坐失战机。
2月26日，日第4、第2军开始进攻掩护通往辽阳的最捷径的俄军。中间突破受阻之后，日军缓慢迂回俄军右翼。库罗帕特金担心俄军有被全部包围的危险，乃下令全线撤至第2道阵地。俄军撤至第2道阵地后，仍保持原来的部署，大部兵力作为预备队，在一线展开的兵力不过40%，打法也仍然是等待日军进攻。日军的兵力部署也大体如前，企图也仍然是围歼俄军。但接受前一段作战的教训——各路部队攻击时间不统一，使俄军可以自由机动其预备队），于3月1日以3个军的全部兵力同时发起进攻。俄军以马克沁水冷式重机枪、火炮和刺刀顶住各路日军的进攻。双方激战1整天，日军被迫后撤。
日军正面进攻受阻，乃于当日（3月1日）夜间，派第1军部分兵力（1.8万人）偷渡太子河（到达右岸），31日晨迂回俄军左翼（5万余人），与此同时加强对俄军右翼的进攻。
3月2日整天，俄军准备反击日第1军，为此在左翼集结了3个军，企图以迂回动作将日第1军压迫到太子河歼灭之。反击定于3月3日开始。但3月1日夜间日军进攻俄军左翼集团，占领了该方向一系列重要的战术要点，其中包括时官屯及其北面的小高地馒头山。在这种情况下，库罗帕特金决定在实施全面反击之前，首先夺回馒头山。为此分别从各个师抽出7个步兵团，但这支临时拼凑的部队缺乏强有力的统一指挥，战斗的重担实际上落在伊斯托明指挥的1个团头上，该团下辖7个营，其中3个营是从其他团抽调的。伊斯托明不顾当时的条令和习惯作法，将7个营中的5个营编入战斗队，预备队只留2个营。战斗于3月3日19时打响，一直在黑暗中进行，双方激烈争夺。俄军一度收复馒头山，但日军的反击也十分的坚决。
而库罗帕特金并没有向后世历史上那样，放弃了反击计划，而是投入了更多的兵力，因为他及时得到了秘密渠道送来的情报，情报上说：日军已投入全部兵力，并且遭到重大损失，尤其是第1军单独与俄军强大集团相对垒，处境十分不利。最后，经过两天的激战，于3月5日夜，俄国彻底占领了馒头山，日军借着夜色撤出了阵地。
日第一军兵败馒头山之后，立即撤回太子河右岸，与俄军形成对峙。
库罗帕特金差点就命令俄军放弃辽阳，退守奉天，他从心底里感谢这个及时的情报，但是当他询问情报是哪里来的的时候，情报官却也给不出一个合理的答案，只是说，听山民讲的，日军损失惨重，可能支持不下去了，让俄军再加把劲，就能把日军打垮。
库罗帕特金怒吼：“山民的话能信吗？”
情报官回答：“山民的情报让我们占领了馒头山。”
库罗帕特金：……这次就这样吧，下次不行。
在这次辽阳攻防战中日军损失2.4万人，相当的惨重，俄军损失了1.7万人，应该说和日军差不多。到战斗结束时，俄军大部分预备队始终未投入战斗。3月10日俄军又向辽阳补充了两个军的兵力，日军已经无力再组织兵力进攻了，只好等待6月份国内的援兵到了之后再重新发起对辽阳的进攻。在此之前，要重新侦察好俄军在辽阳战线的兵力部署，为新的进攻提供依据。所以，刚刚成立的日清联合侦察队在这个时候被派了出去。分成多个小组，被派往辽阳到奉天的各个节点上。
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