辽阳会战后，日俄两军大体上在奉天与辽阳之间的沙河地区互相对峙。1904年9月底，东北地区俄军约达61万人，758门炮，32挺机枪。防线长达90公里。
同期，沙河地区日军约42万人，600门炮。前一阶段作战，日军消耗很大，为补充兵员，在国内进行了总动员，但仍不能根本改变兵力对比。
大山岩经过会议决定，尽快和何猫进行汇合。当然，在这种情况下，日方决定在沙河地区转入防御，等待第3军尽快从旅顺解脱出来，北上增援。
同样，库罗帕特金虽然拥有相对兵力优势，也不急于发动反攻，仍然是依托既设阵地等待日军进攻。
此时，二万红警大兵，已经进入老毛子国家腹部进行破坏。尼古拉二世不仅要派出重兵围剿红警大兵，还要动员士兵和日本、何猫进行战争。这样一来，老毛子国内革命运动的高涨和辽阳会战后国内对战争的不满情绪，要求库罗帕特金发动攻势，解旅顺之围，借以挽回帝国的“荣誉”，提高沙皇政府一落千丈的地位。
库罗帕特金制订的进攻计划，是对浑河与太子河间之敌实施攻击，并占领太子河右岸，实际上就是把日军赶过太子河。
俄军分左右2个集团：左翼3个军，由施塔克尔堡指挥，向本溪湖方向实施主攻（该方向是山地）；右翼2个军，由比尔德林格指挥，缓慢地向沙河方向前进，任务是把主攻方向的敌人吸引过来。
另以3个军作为预备队。左右两集团的进攻正面共50公里，总的进攻速度，每昼夜不超过5公里。这个计划主攻指向山地，而俄军没有进行山地战的准备，特别是缺少山炮。
更糟的是，俄方进攻的准备工作不隐蔽，被日方发觉（日本间谍活跃于俄军后方，加之日方从老毛子军官尸体身上搜出作战计划），完全丧失了突然性。
日军统帅大山元帅决定将计就计，首先利用对俄军不利的山地地形，以防御战消耗、疲惫俄军，然后投入新锐力量，转入进攻，猛攻俄军中央和右翼，一举歼灭东北俄军主力。
1904年10月8日，俄军东部兵团（由73个步兵营和34个骑兵连组成）来到日军右翼。从该地区可以攻击日第1军翼侧。
1904年10月9日，由45个步兵营和18个骑兵连组成的部队，对日军右翼边缘（位于本溪湖—带）发起攻击。部署在这个方面的日军，只有梅泽道治少将指挥的近卫后备步兵旅8个营。由于防守坚决，被日军誉为“光荣的梅泽旅”。
大山总司令官顶住了俄军东部兵团的猛烈攻击。1904年10月10日，又集中全军主力，从日军左翼向东北方向的敌人发起总攻。这次进攻因与猛插俄军右翼的骑兵第2旅（旅长闲院宫载仁亲王）相配合，结果俄军不得不于1904年10月12日开始全面退却。
日军立即利用这一有利时机转入进攻，日军这一行动，导致一系列激烈的遭遇战。在某些情况下，遭遇战不仅昼间进行，而且夜间也进行。
夜战中，双方均不使用炮兵，部队以密集队形投入攻击，士兵胳膊挨胳膊，大多数场合夜战以刺刀白刃战告结束。为识别敌友，俄军士兵袖缠白布带。
这种激烈的遭遇战持续至1904年10月15日。日军进展不大，只是在某些地段将俄军顶回沙河地区。大山岩决定在既得阵地上转入防御。
与此同时，库罗帕特金决定1904年10月16日晨在自己右翼发动进攻，以恢复在沙河左岸的原态势。但15日夜间，日第二军奥保巩部以奇袭攻占俄军左翼第1军地段内具有决定意义的制高点万宝山（位于沙河堡地区）。
日军占领该高地，就造成了突破俄军防御中心的威胁。因此，库罗帕特金放弃原定进攻计划，令第1军不惜一切代价夺回该高地。经16～17两日激战，俄军以伤亡3000人的代价夺回了高地。
日方死亡1500人。双方各自巩固既得阵地，加修工事，互相对峙，偶尔出动侦察部队或进行炮击。这种情况一直持续到1905年1月奉天会战为止。整个会战，俄方损失8万余人，日方损失6万余人。
日方鉴于自己兵力不足，而老毛子增援部队源源开到远东，战争旷日持久对己不利。唯一出路是把困在旅顺的第3军解脱出来。同时，老毛子波罗的海舰队正在东调途中，一旦与远东舰队会合，实力将超过日本舰队
。因此，日本统帅部利用沙河会战后，俄军按兵不动之机，将全部后备力量投入对旅顺的攻击，力争尽快夺取旅顺。
早在1904年8月日军首次强攻旅顺受挫之后，就加强了第3军的兵力，运来11英寸口径的攻城炮（该种11英寸的榴弹炮射程达到1万码（约合9144米），炮弹重达550磅（约合249.5千克），飞行中发出特殊的轰鸣，而被别称为“火车弹”[7] ），在旅顺外日俄高级将领在水师营会见围构筑了炮兵阵地和平行壕，对俄军的防御工事步步进逼。
1904年9月19日，日军发动第2次强攻，迨至1904年10月30日，发起了第3次强攻，但仍然没有取得重大进展。大山岩命令乃木希典交出指挥权。暂时由总参谋长儿玉源太郎指挥，儿玉对炮兵的运用远远强于乃木，经过调整部署后，一天就攻克了203高地。
高地的陷落，基本上决定了旅顺战局的命运。日军在高地上建立观察哨，校正炮兵射击，以海岸防卫用的280毫米大口径榴弹炮轰击老毛子舰队。1904年12月15日，被老毛子人称为旅顺俄军防御“灵魂”的康得拉钦科将军毙命。
1905年1月2日俄方正式签订投降文书。此时俄军尚有官兵3.24万名，火炮610门，炮弹20.3万发。整个旅顺战役过程中，俄军损失13万余人，日军损失约15万人。
旅顺争夺战是日俄战争中具有重大意义的事件。只要旅顺牵制着大量日军，只要旅顺口的老毛子舰队还存在，日军就无法决定战争的结局。
如果老毛子欧洲地区的舰队东调，还可能改变海上形势，并切断日军海上补给线。因此日军不惜重大代价攻取旅顺，归根到底是解决日俄战争的根本问题——制海权。
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