俄軍的作戰計劃是：進攻分爲左右兩個集團組成，東部兵團（左）甴西伯利亞第1、2、3軍和西伯利亞騎兵師組成，司令是施塔格里堡中將，負責從右翼進行包抄，對日軍右翼施加決定性的打擊，從東南方橫切，截斷日軍的朝鮮半島補給線，幷包抄日軍側後部。；西部兵團（右）甴第10、17軍，西伯利亞第5軍和烏蘇裡騎兵團、沿海龍騎兵團等組成，司令是比爾丹林上將，負責牽制日軍左翼，吸引日軍。另外由西伯利亞第4、6軍、第1軍乃扎巴伊卡爾騎兵師、科卡薩斯騎兵旅爲預備隊。而日軍也同樣分成東部和西部兩個兵團應戰。
10月11日，俄軍東部兵團以西伯利亞第1、3軍爲兩翼開始攻擊日軍駐守的本溪湖防線，守衛本溪湖的是梅澤道治少將指揮的近衛後備步兵旅團的8個大隊（營），第12師團14連隊（團）。結果日軍己明顯劣勢的兵力守住了防線。雙方激戰了一天，日軍各部均陷入苦戰，有的用盡了預備隊已無兵可調，有的則是損失極大，許多中隊小隊失去了全部軍官，士兵傷亡極大，部分小隊甚至全部陣亡。而俄軍是進攻方，損失更大，僅西伯利亞第3軍就傷亡了3000餘人。
而負責牽制的俄軍西部兵團卻遭到日本的沉重打擊，各路進攻的俄軍均被日軍擊敗，由其是在12日凌晨，日俄雙方圍繞着戰場要點三塊石山展開了激烈的爭奪。三塊石山位於北大山西面，是由三個大花崗岩組成兀在平野上的石頭山，海拔114米，能夠防止日軍進入北大山，保護西部兵團的側背面，從而維持東西兵團的連接，守衛三塊石山的俄軍有2個團和一個炮兵旅。
雙方從凌晨1點開始戰鬥，一直打到了正午10點，日軍投入了1個旅團的兵力，付出了1500餘人的傷亡，終於攻下了三塊石山。
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不過儘管日本付出了慘痛的代價，但卻一舉獲得了戰場的主動，由於俄軍東西兵團的連接被切斷，造成了俄軍的混亂，加上俄軍的士氣本來就不高，因此西部兵團的西伯利亞第4軍和第10軍率先撤退，造成了一個大空檔，而東部兵團也只能被迫後撤，很快俄軍就形成了全面退卻。
但日軍由於兵力不足，無法趁勝進軍，擴大戰果，只能被迫再次在既得陣地上轉入防禦，只能在局部重點地區發動進攻，10月15日夜間，日軍奇襲攻佔了俄軍陣的制高點萬寶山，形成了對俄軍防禦中心的威脅。俄軍隨後展開反擊，經過了兩日激戰，俄軍以傷亡3000人的代價，終於重新奪回了萬寶山，保住了自己的陣地。然後雙方都無力再戰，各自鞏固既得陣地，加修工事形成對峙。
沙河會戰結束，俄軍傷亡4萬餘人，其中戰死5084人，失蹤5868人；日軍傷亡2萬餘人，其中戰死4099人。日本雖未取得全勝，但傷亡只有俄軍的一半，而且不僅守住了自己的陣地，同時將防線向前推進了一步，併爲日本下一步進攻奉天創造了一個不錯的局面。
總體來看，日軍雖然沒能攻克旅順，但也徹底切斷了旅順對外的聯繫，只用一個軍的兵力就能夠困住旅順城裡的守軍，並且只用少量軍艦就將太平洋艦隊的殘餘軍艦完全封鎖在港口裡，將制海權基本完全讓給了日本。而在北線，日軍連續取得了遼陽會戰，沙河會戰的勝利之後，日本已經取得了極大的戰略優勢，俄軍已被迫退守奉天，並以奉天爲核心，組織防禦，總體形勢十分被動。
到這個時候，日本國內對戰爭的結果都十分樂觀，認爲俄國己沒有抵抗之力，日本已是勝券在握了，更有報紙甚致預測，最早到今年年底，最遲到明年的2、3月份，就可以結束了。因此不少媒體開始渲染這是一場比日清戰爭更偉大的勝利，標誌着日本進入世界一流強國的行列，還有報紙則開出了停戰的條款，認爲日本可以獲得8--10優日元的賠款，並且獲得包括中國東三省、頁葉島、海參崴再內的土地等等。
但就在這時，從歐洲傳來消息，爲了挽回戰爭局面，俄國己將波羅的海艦隊及黑海艦隊一部軍艦組成了第二太平洋艦隊，由羅日傑斯特文斯基擔任司令官，開赴遠東參戰，艦隊己於10月15日，從歐洲拔錨起航。而且從帳面上看，這支艦隊確實十分強大，共有7艘戰列艦，2艘裝甲巡洋艦，6艘防護巡洋艦，9艘驅逐艦。因此歐洲媒體的評論是：“日本到此爲止所作的一切努力，都將在俄國太平洋第二艦隊到來之後土崩瓦解。
原來在遼陽會戰之後，幾乎所有的歐洲媒體都認爲，俄國的失敗已經由“可能不可能”變成了“早與晚”的時間問題。沙俄當然不會束手就擒。當俄國組建滿洲第二集團軍準備將戰爭無限期進行下去的消息傳出後，巴黎證券交易所內所有與俄國有關的證券都狂跌不止，作爲俄國最大的債權國、盟友法國己經明確向俄國表達了希望停止戰爭的願望。
而俄國政府也十分清楚現在遠東的局勢十分危機，其實在俄國內部，一直都有反對這場戰爭的聲音，當然不是愛好和平，而是認爲有比戰爭更好的手段，於是這時也紛紛進言，認爲應該結束戰爭，否則會造成國內重大的政治危機，畢竟苗頭己經出現了，但沙皇尼古拉二世認爲也決不能坐視遠東的戰事失敗，不僅有失俄國的面子，堂堂北極熊，居然被黃皮猴子打敗，這讓戰鬥民族情何以堪了，至於政治危機，沙皇認爲獲得戰爭的勝利是化解危機最好的方法，因此必須加大對遠東的軍事投入。於是沙皇下令，從歐洲調遣陸軍，増援遠東。
而當時還只是少將的羅日傑斯特文斯基向沙皇建議，要扭轉遠東的局面，只增陸軍是不夠的，而應該海陸齊進，現在俄囯共有三支艦隊，分別是亞洲的太平洋艦隊、歐洲的波羅的海艦隊、黑海艦隊，雖然現在太平洋艦隊的剩餘軍艦被困在旅順港裡，無所做爲，但波羅的海艦隊、黑海艦隊的實力猶在，而且現在歐洲方面的局勢較爲緩和，這兩支艦隊留在港裡也無事可做，到不如派一支到遠東去，和太平洋艦隊合併，重新提升俄國在遠東地區的海軍實力，這樣海陸並進，就可以扭轉勝局了。
雖然絕大部份人對羅日傑斯特文斯基的建議都嗤之以鼻，認爲這個建議的可操作性極低，因爲無論是波羅的海還是黑海，到遠東的航程都接近3萬公里，而且俄國在途中沒有任何基地港口接應，提供補濟，因此既使是把艦隊免強開到遠東，也將精疲力竭了,沒有幾個月的修整，是根本不可能戰鬥的，而日本會給俄國艦隊修整的時間嗎。
但尼古拉二世對這個建議卻很感興趣，認爲這是扭轉遠東局勢的重要步驟，於是立刻下令，以波羅的海艦隊爲主，輔以部份黑海艦隊，組成第二太平洋艦隊，開赴遠東參戰。
本來沙皇任命波羅的海艦隊司令彼裡呂耶夫中將擔任第二太平洋艦隊的司令官，但久經事故的中將深知這一趟是凶多吉少，到不到得了遠東還不好說，既使到了也未必就能改變遠東的局勢，於是以患病爲由拒絕了這一任免。而沙皇改命提出這個建議的羅日傑斯特文斯基爲司令官。雖然這時羅日傑斯特文斯基的軍銜還是少將，不夠出任艦隊司令官的資歷，但沙皇大筆一揮，把羅日傑斯特文斯基提升爲中將，十分容易的就解決了資歷的問題。
收到了這個消息之後，首先是日本政府首腦們意識到，自己把事情想得太樂觀了，俄國可不是清廷，俄國擁有50於日本的領土；10倍於日本的國家收入；3倍於日本的人口數量，不是幾場敗仗就會輕易屈服的。這不馬上就又組織起一支不遜於太平洋艦隊的新艦隊來。
雖然現在太平洋艦隊被封鎖在港口裡，但這並不表示太平洋艦隊就無力再戰了，現在太平洋艦隊仍然還有5艘戰列艦，1艘裝甲巡洋艦，實力不容小視，只是缺少輔助護衛艦隻，才無力出港應戰。
而第二太平艦隊裡有大量的輔助艦船，因此雙方但匯合，將組成一支擁有12艘戰列艦，3艘裝甲巡洋艦、6艘防護巡洋艦、9艘驅逐艦的龐大艦隊，實力將遠凌架於日本聯合艦隊之上，海權是肯定保不住了，而一但失去制海權，日本將必敗無疑。
於是日本內閣、陸軍大本營，海軍軍令部等部門趕緊展開聯合協商，最終做出決議，要在第二太平洋艦隊到達遠東之前，攻佔旅順、殲滅太平洋艦隊，並且攻佔奉天，確定自己的絕對優勢，只有這樣，等第二太平洋艦隊到達遠東以後，日本還有和它一戰的機會。而其中的重中之重就是攻佔旅順，殲滅太平洋艦隊。
陸軍大本營也感到了嚴重的壓力，畢竟現在太平洋艦隊躲在港口裡不出來，只有攻佔旅順之後，纔有殲滅太平洋艦隊的機會。於是大本營也開始正式討論是否更換乃木希典的問題，畢竟旅順攻不下來，主將是難辭其咎的。
但明治天皇認爲，臨陣換將是兵家大忌，而且在這個時候撤換乃木希典，對他無疑是巨大的羞辱，估計乃木希典會真的自殺來維持自己的尊嚴，但像乃木希典這樣的高級軍官因戰事不利而自殺，對軍隊的士氣將是沉重的打擊，因此大本營決定還是再給乃木希典一次機會。
而且大本營也認爲，雖然以前乃木希典沒能攻下旅順，但連續兩次進攻，肯定也旅順的守軍造成了重大的損失，由其是消耗了守軍大量的彈藥，因此估計現在旅順的守備力量以被大大削弱，也許再有一次進攻，就可以攻下旅順了。不如仍然將這個機會讓給乃木希典。