就在舰队执行侦察任务的时间，在辽东地区的战场上，日俄双方的陆上战斗也己经进入到了最关建的时候。
虽然日本也答应接受英法两国的调停，但一直都在积极的整军备战，准备进攻沈阳；当然俄军也没有把希望都寄托在英法两国的调停上，同样也在努力的从欧洲方向调集军队，并且以沈阳为核心，构筑防线，同时也加强对华东政府的游说行动，极力的鼓动华东政府出兵夹击日军。
到了2月下旬的时候，日军已经在沈阳一线上集中了5个军，共计约27万军队，而俄军也在沈阳聚集了35万军队，双方在绵延约100公里的战线上互相对持，剑拔弩张，大战一触即发。
不过俄军虽然在总兵力上占有一定的优势，而且又有防守的地利，但军队的士气低落，物资弹药也都有所不足。毕竟俄军有超过一半是从欧洲方向紧急调过来的，但这时西伯利亚大铁路还没有完全建成，再加上俄国的办事效率一惯的低下，因此能够把军队从欧洲调到远东来己经算是很不错了，那还顾得上弹药物资,反正先把人凑齐再说。
而日军由于连战连胜，全军的士气高昂，求战的欲望极高，因此日军司令部见状，也决定发动奉天会战，毕竟再拖下去，对日军只会越来越不利。
2月23日，日军右翼第5军率先从太子河上游地区北进，向俄军左翼第1集团军迂回，俄军主将库罗帕特金元帅立即将右翼预备队调去加强左翼的防御，却不知道这一举正中了日军的调虎离山之计。
2月27日，日军第2、第3两个军开始迂回俄军兵力薄弱的右翼实施突击，这一变着顿时使俄军陷入了困境中，而库罗帕特金又仓促决定，把预备队从左翼调回右翼。但由于部队来回折腾疲于奔命，因此仍然无力阻挡日军的进攻，俄军的右翼阵地遭到日军的连续突破，战斗进行到3月4日的时候，日军第3军已经突进到了接近奉天以北的铁路线，战况紧急。
虽然俄军立刻又集中了8万军队，向日本第3军发动反击，但日军在主将乃木希典的指挥下，和俄军连续进行了几场血战，令俄军无功而返，而乃木希典指挥第3军，继续向奉天以北的迂回。
而在此期间，日军在3月1日又对俄军左翼也加强了进攻，虽然日军的进攻在俄国左翼第1集团军的顽强阻击下，进展不大。但由于俄军要抽调兵力支援右翼，从而削弱了右翼的兵力，因此库罗帕特金决定将左翼的第1、3集团军后撤，以缩短战线，节省兵力。
但日军抓住了左翼俄军后撤的战机，向俄军发动猛攻，在3月9日成功的突破了俄军防线，从左翼迂回奉天的侧后方。而在同一天，右翼的日本第3军己经迂回到了俄国第2集团军后方，左右两翼几乎是齐头并进，俄军面临被全面包围的危险境地。
面对着危急的局面，库罗帕特金失去了坚守的勇气，于3月9日夜间下令放弃沈阳，全军向铁岭方向撤退。但由于俄军糟糕的组织能力，使得撤退变得极为混乱，大量的物资被抛弃，而本应负责断后掩护的骑兵竟于步兵和炮兵撤退，而携带的辎重太多，以至堵塞了道路，部队又屡屡遭到日军炮击。
好在是经过了连日的激战，也使日军十分疲劳，而且弹药也出现缺乏，这到不是日军的调度、组织出了问题，而是日本国内的产能有限，战争的潜力己达经到了极限。因此也无力再追击俄军，只是在3月10日进驻到俄军放弃的沈阳城，3月11日，日第1、第3军在浑河地区会师，进而占领了昌图。而俄军则一直逃到了四平才稳住阵脚。
至此，奉天战役全部结束，双方在昌图至四平之间的地区再度对持起来，只不过日军将阵线向北推进了约150公里。
奉天战役是日俄战争开战以来进行的最大规模、兵力最多、持秩时间最长的一次会战，双方投入的兵力共计超过了60万，战线超过了200公里，时间长达17天，战争以日军的获胜而告终，日军伤亡约7万余人，而俄军伤亡11万5千余人，而且基本退出了辽东半岛的范围。
而在奉天战役结束之后，欧洲各国的舆论几乎都一至认为俄国已经输掉了这场战争。法国政治家格莱曼认为：“这场战争将改变世界的格局，日本将跨入强国之列，而法俄同盟已变成了法国的负担。”
就连俄国的报纸也强调应结束战争了：“俄国已陷入全般绝望之处境，现在放弃殖民地政策并非耻辱。”
俄国前财务大臣维特也在给沙皇尼古拉二世的建议书中表示：“继续战争危险重重”，理由是继续战争将造成财政失衡、加重国民负担，引发社会不满、冲突和动荡；相比之下，国内更需要军队，因此应该立刻与日本进行琐判等等。
而刚收到奉天战役失利的消息，尼古拉二世也十分震惊，立刻就招开御前会议，讨论战争的进程，不过在会议上，却没有一个人提出结束战争或与日本谈判，而是仍决定继续战斗。
海军大臣阿维兰表示：“波罗的海舰队尚在，必要时可投入全部海上力量，赢取海上胜利，孤立满州日军。”
陆军大臣萨哈罗夫也表示：“陆军可以向满洲再输送60万步兵、32万骑兵和两千门火炮以及大量的军需物资，完全可以扭转战局。”
而皇叔阿列克谢伊大公也认为战争还没有到无法挽回的地步，奉天战役虽然失利，但是由于日军首先发动进攻，这对英法两国主导的调停是极大的蔑视态度，肯定会对日本的行为极为不满，而英国是日本背后的最大支持者，因此俄国可以趁机分化英日的关系，至少可以令英国对日本的支持不那么坚定，这样就可以打击日本的战争潜力；另外就是还有海外华人这个大变数的存在。
在奉天会战之前，华东政府和日本的关系己经明显恶化，而和俄国在逐渐接近。不过华东政府和俄国的接近，主要是俄国单方面在努力，华东政府的态度则十是暖昧，对俄国的示好，虽然也保持比较善意回应，但并没有明确的表态，更是没有实际的行动。只是和日俄开战之前相比，确实到是明显的改善。
不过俄国也明白华东政府的用意，一则是俄国并没有让出一些实质性的利益，华东政府也是不见兔子不撒鹰的主，当然不会轻易的表态；二则是华东政府也是想坐视日俄交战，打成两败具伤，这样才好从中取利。
但现在俄国己经被日本击败了，华东政府想必也应该有所行动，否则等俄国真和日本讲和了，那么日本就可以专心来对付华东政府，这样的局面对华东政府也是极为不利的。当然俄国可以在外交上更为主动一些，积极和华东政府协商，争取让华东政府早日加入战局来。
听了大臣们的建议之后，尼古拉二世的心里也安稳了不少，俄国果然还没有到山穷水尽的地步，而且手里还有不少好牌可以出的，仍然还有不小的机会可以挽回败局，于是尼古拉二世也决定，将战争继续进行下去，不考虑和日本进行谈判。
当然，奉天会战的失利，也必须有人为此承担责任，因此尼古拉二世下令，免除远东总督阿列克塞耶夫的职务，将其调回圣彼得堡，又将远东陆军总司令库罗帕特金降职为第1集团军司令官，由林涅维奇接任远东陆军总司令，付责全面指挥远东地区的战斗，同时继续向远东增兵，又责令太平洋第2分舰队司令官罗日杰斯特温斯基，加快速度，尽快赶到远东参战。
而在外交层面，俄国命驻青岛领事彼得洛夫再和华东政府接触，可以直接像华东政府提出联手对付日本的建议，看看华东政府是什么态度，或者有什么条件，只要是能谈就行。同时又向英法两国提出交涉，指责日本破坏了调停，并要求英法两国对日本的行为进行干涉。另一方面也加强和德国的协商，缓和关系，这样可以从欧洲方向多抽调兵力去远东，又能给法国施加压力，让法国继续支持俄国。
其实英法两国对日本发动奉天战役的行为也相当的恼火，这等于是打了英法两国的脸；由其是英国，因为全世界都知道，日本其实是英国的小弟，法国甚致直接向英国提出，要求英国管好日本，对外更是宣称，日本破坏了远东地区的和平进程，必须为此负责。
而英国也是有苦说不出，谁知道日本竟然完全不受控制呢？其实日本发动奉天战役之前，就曾向英国通报过，认为俄国只是在利用英法两国调停的时间向远东地区增加兵力布置，因此这种调停本身是严重损害日本利益的，日本必须要率先发动奉天战役。那怕是背上破坏和平进程的名议也再所不惜。也希望英国能够理解日本的做法。
其实英国政府当然能够理解日本的做法，换了是英国，也同样会釆用相同的做法，但英国有英国的立场，需要的是一个能够控制的日本，而不是一个给自己找麻烦的日本。