8月初的时候，北上的日本三个军已经到达距离辽阳50公里远的地方。三个日本军一共有115,000步兵、4,000骑兵和470门炮，面对俄军人数和装备上都不占优势，一直期望乃木希典的第三军，能够迅速拿下旅顺加入进来。
然而旅顺那边迟迟打不开局面，到了8月23日，俄罗斯已经在辽阳集结起了135,000步兵，12,000骑兵和599门火炮，并且援军还在源源不断地到来。鉴于这种形势，日本满洲军总司令大山岩决定不再等了，越往后拖俄军的优势会越明显，战斗得尽早发起。
8月1日，日军攻占辽阳东南95里的样子岭。2日，日俄两军在城东100里的老鹳岭展开激战。次日，俄军惨败，死者不计其数，伤者千余人。
8月24日，日军第一军发起总攻，对俄军东部集团军实行两翼迂回，意图把俄军统帅部的注意力引向左翼，诱使库罗巴特金将他的预备队调到左翼，从而孤立其右翼，为日军第二、四两军进攻俄军右翼造有利的态势。
8月25日，日军第一军占领了辽阳以东的寒坡岭、弓长岭、马蹄岭等处俄军防御阵地。第二、四军迂回到俄军的右翼，对俄军南部集团军展开强烈的攻势，并越过南沙河，占领了城南的石桥子、四方台等地。库罗巴特金依据夸大敌军的情报，轻率下令俄军撤退到第二防御阵地。
紧接着，日军又突破了俄军的第二、第三两道防御阵地，占领辽阳城南的首山堡、早饭屯一线，对辽阻城实行西、南、东三面合围。库罗巴特金见三道防御阵地连续丢掉，唯恐全军被围，便不得不下令全军撤退到辽阳城外太子河一线。
德国名将毛奇的铁杆粉丝大山岩，曾经现场观摩过《普法战争》，也想有样学样复制一下色当之战的辉煌，于是命令黑木为桢率第一军向北直插俄军背后截断俄军退路，其余部队正面进攻，歼灭俄军主力。
8月27日，日军第二军第三师团的石原、关谷两个联队占领了俄军放弃的鞍山和南沙河阵地。自28日起，开始向首山的俄军阵地发起猛攻，首山战役正式开始。
日军用数百门重炮向俄军阵地猛轰，并将俄军阵地包围起来。驻守阵地的俄军为西塔奇贝尔格中将指挥的西伯利亚第一军。他们依据有利的地势和坚固的防御工事，居高临下进行俯射，拼命反击，一次次打退日军的冲锋。日军步兵隐蔽在山下的高粱地里，一有机会就以散开式的“星星队”队型向山顶冲击，前仆后继，屡却屡攻，激烈的战斗进行了三天三夜，俄军士兵用过的弹壳将战壕都几近填满，首山变成了不毛之地。
8月30日，日俄两军在争夺首山东南的小高地时，双方短兵相接，展开白刃战。日俄两军伤亡都很惨重，尸横遍野，阵地一度易手。接着，日军又从海城调来重炮，并通过夜袭，终于攻下东南小高地，占领了部分俄军阵地。由于俄军拼力死守，双方激战继续进行，日军损失严重，其第二军第三十四联队的桔周太郎和铃木两个联队指挥官及1000多名士兵全部战死。
后来，日军以伪装的方式，把军装用河泥染上灰色，手持豆捆子做掩护，趁俄军不备，发动突然袭击，通过向阳寺东边的高地，绕到铁路西侧的白老窝等处，占领了安庄子。俄军被迫退入铁道以东的马伊屯阵地。日军趁势夺占俄军炮兵阵地。
8月31日，日军占领东南山。9月1日，又占领了北大山及首山附近的俄军炮台。9月4日，首山阵地全部被日军占领。
首山战役历时8天，日军以极大的代价终于结束了战斗。首山一失，辽阳南面门户洞开。
8月28日，正当日军第二军在首山与俄军激战的同时，日军第四军从辽阳城南的早饭屯发起攻势，开始了对辽阳城的总攻击。
满洲军参谋长儿玉源太郎为日军制定的方案是，黑木为桢第一军从北面通过摩天岭进攻辽阳，奥保巩第二军沿着铁路线推进，野津道贯第四军作为预备队部署在第二军的右翼。
库罗巴特金指挥的俄军两万多人，企图利用预先构筑的第三道防线与日军对峙。
30日夜，日军第一军1.8万人却以突然袭击的方式，渡过汤河，经安平、姑嫂城，又在镰刀湾偷渡太子河，迂回到俄军左翼，袭击燕州城和三岔沟等地俄军。俄军守军腹背受敌，阵地迅即丢掉。
六个半师团对俄军第二道防线展开正面突击。俄军把阵地前1,000米内的高粱地全部清除，进攻的日军在俄军的火力下暴露无遗。由于火炮的射程和射速都不及俄军，日本炮兵再也不敢跟俄国炮兵硬刚，把阵地远远地部署在了俄军炮火射程之外，在支援步兵冲锋上的效果上大打折扣。
1日夜，日军第一军冈骑旅团佯攻太子河北岸的施官屯、黑英台和馒头小高地，俄西伯利亚第二、四两军死守阵地，双方展开激烈的争夺，在中央和右翼曾一度打退日军的冲击。
但库罗巴特金唯恐俄军左翼被日军迂回，在伤亡惨重，战斗失利的情况下，命令全军利用黑夜掩护放弃太子河右岸的最后一道阵地，不断后撤，退至辽阳城死守。
俄军西伯利亚第一军，在辽阳城南部署三个军十余万人的兵力，并在玉皇庙等处构筑坚固的工事，进行严密的防守。日军第四军的丸井旅团轮番连续地向俄军阵地发起冲击，但仍不能奏效，并因伤亡过重和弹药不足，逐渐丧失进攻能力。
9月2日晚5时，日本近卫师团在辽阳城东南八棵树向辽阳城展开进攻，并获得成功。
9月3日黎明时分，日军丸井旅团福知山联队以2/3伤亡的代价，攻克了辽阳城南的喻家沟等处俄军阵地，同时日军第二十联队和第一大队联合进攻，占领玉皇庙俄军阵地。至此，辽阳城外围要塞尽为日军占据，俄军被迫退守辽阳孤城，坐以待毙，失败的命运已经注定。
这一天日军从早晨开始，就以猛烈的炮火向古城辽阳发动攻击。城内房屋被炸毁，居民死伤甚重，新修的衙署亦被打坏，署内官员王广仁、马振山受炮伤身亡。
当俄军统帅库罗巴特金听说日军在南门、北门同时出现，忧心被日军包围，切断守城俄军与沈阳的铁路交通联系，进而遭到全军覆没的厄运，遂下令破坏火车站、粮台及衙署等建筑物，将火车站堆积如山的辎重全部焚毁，致使辽阳城西门外一带浓烟滚滚，秽气熏天。
9月4日凌晨，在俄军已放弃辽阳，渡过太子河，向奉天方向撤退之后，日军满洲军总司令部参谋官福岛等统率日军占领了辽阳。
辽阳之战日军伤亡2万多人，俄军的伤亡还不到2万，俄罗斯军官面对日军，继续展现出他们出色的指挥撤退和重新部署大部队的能力。但是气可鼓不可泄，付出巨大代价守了下来的阵地就这样放弃，对俄罗斯官兵的士气难免会产生巨大的打击。
辽阳会战日军取得了胜利，但还不是决定性的胜利。而撤退到奉天的库罗帕特金开始谋划反攻了，接下来战事将如何发展呢？我们下回再说。
