克魯巴特金自遼陽撤軍後，屯守渾河，當旅順陷落時，正好有一團哥薩克騎兵開到，為了振作士氣，他決定以這一團騎兵作一次奇襲。
選定目標是牛庄、營口。克魯巴特金用了一條聲東擊西之計，佯攻「遼西中立地」。清軍助日攻俄，已成公開秘密，俄國且曾不斷提出照會抗議，而外務部及北洋皆不理，所以俄軍之攻遼西，被視為兵敗遷怒常有之舉，日本亦不以為應該加強戒備。
奉命守遼西的馬玉昆，卻不免膽戰心驚，正規軍不能渡河至遼東，唯有利用一稱「正義軍」、一稱「民團」的馮麟閣等人，以牛庄、海城以東的山地設防據守。此地名為千山，岡陵起伏，地勢很好，但民團的火力不足，要想擋住以驃悍出名的哥薩克騎兵，仍不是一件容易的事。
於是馬玉昆的幕府中，有人建議設疑兵。用二十四輛大車，改裝成炮車，自北而南，分布在千山的大小山頭上。其實，只有最衝要的兩處，設有老式的前膛炮，其餘二十二輛大車上，擺的都是木製的野炮模型。
及至哥薩克騎兵，一陣風似地卷了過來，自然不等迫近，便開炮示威。俄軍的前衛司令用望遠鏡一看，才知道部下已誤入敵軍炮兵陣地，急急下令後退。但不是退回原處，而是放棄了佯攻遼西中立地的任務，一脫出野炮射程，折而往南，由海城以北往西疾馳。守牛庄的日軍猝不及防，很吃了些虧。
接著，克魯巴特金動用八萬兵力，攻日本第一軍於遼陽附近的黑溝台，日軍調第二、第四、第八師團增援苦戰，才能守住原來的陣地。
經此兩仗，日俄兩國都調大軍馳援，俄國集中了可調之兵，總計四十萬，日本已傾巢而出，與俄軍相差無幾。三十多萬兵，分為五個軍，旌旗相望，自東北至西南的戰線，綿亘數百里之遙。
光緒三十一年的元宵節，日軍發動總攻，以精銳的第五軍攻瀋陽之東的撫順，以拊其背，另遣第一軍渡沙河，為第五軍接應。正面則由第二、第四軍，自遼陽往北攻擊。克魯巴特金誤認日軍的主力，分兵大半，北向擊敵，同時堅守正面。南北兩陣地，打得都不算壞。
誰知攻旅順元氣大傷的第三軍，重整旗鼓，繞出俄軍西北，直撲瀋陽以西的新民，手到擒來，然後疾馳而東，在鐵嶺以南割斷了鐵路。
這一下，克魯巴特金才知道已為敵軍大包圍，急急下令突圍。於是日軍先得旅順，後入瀋陽，這一場大會戰歷時二十天，俄軍死傷九萬有餘，日軍損失亦不相上下。
然而戰事並未結束，克魯巴特金兵敗被黜，左遷為第一軍團長，總司令用李尼維齊接任。日軍則乘勝進據開原、鐵嶺，但強弩之末，無力再進，彼此成了僵持的局面。
其時報章喧騰，都道日本的民心士氣，如何興奮激昂，在奉天的日軍，必將乘勝而北，直搗俄京。此時中日休戚相關，京中的士大夫跟日本的人民抱著同樣的想法，以為東三省收回在即，如何料理善後，應該及早籌劃。於是軍機處奏請，派署理戶部尚書趙爾巽，到天津跟袁世凱先作初步的商談。
抱著滿腔熱望的趙爾巽，興沖衝到了天津，跟袁世凱一見了面，提到報上的那些話，見他是無動於衷的神氣，趙爾巽不由得泄氣了。
「次翁，」袁世凱說：「日本的勝局已成，誠然！若說直搗俄京，那是痴人說夢，而且戰事一時不能結束。」
「何以戰事還不能結束？莫非俄國還不服輸？」趙爾巽問道：「日本縱不能直搗俄京，逐俄軍出東三省的力量，綽綽有餘，俄國難道看不出這一點？」
「俄國的看法不同，日本當政者跟百姓的看法又不同。日本陸軍損失慘重，雖非強弩之末，可也動彈不得了，起碼要幾個月的休養整補，才能重整旗鼓。如今急於求和的，倒是日本，而非俄國。」
趙爾巽益發詫異，不信地問：「日本想求和？」
「是的。」袁世凱清清楚楚地答說：「日本的重臣都主張適可而止，及時謀和，明治天皇召開御前會議，打算請美國出來調停。不過，日本的民氣方張，這些決定，一時不便宣布而已。」
「有這樣的話？」趙爾巽好半晌作聲不得。
「俄國不服輸，當然亦有他自己的盤算。陸軍，日本已無力再進，而俄國還有後備隊可調；海軍，俄國的第二、第三兩支艦隊，至少有五十條兵艦，從波羅的海往東調，要跟日本海軍見個高下。次翁，莫聽報上的浮議，俄國並非一敗塗地。」
「照此而言，戰事結束，遙遙無期？」
「反正不會近就是。」
「那麼，咱們收回東三省，亦是可望而不可及羅？」
「『可望而不可及』這六個字，形容入妙。不過，凡事豫則立，倘有大才如次翁這樣的能先銜命出關坐鎮，將來在接收方面，就會方便得多。」
「是的！」趙爾巽深深點頭，接著又問：「慰翁，我是不是就拿你這番話，據實復命？」
「是！是！煩次翁面奏，東三省是本朝發祥之地，我決不敢掉以輕心。」
果然，趙爾巽回京不久，駐日公使楊樞、駐美公使梁誠，分別有密電打回來，日本已將願與俄媾和的意向，告知美國。而美國的羅斯福總統，認為做調人的時機尚未成熟，不願貿然出面，只是發布了一個聲明，勸日俄直接談和，同時要求日本維持滿洲門戶開放，並將主權交還中國。
這些消息與袁世凱的話相印證，情勢已相當明了，收回東三省確是件可望而不可及的事，但有美國聲明中的仗義執言，收回東三省似乎也有把握。慈禧太后及軍機大臣，都象服了一粒定心丸，且不管東北，先管東南。