旅順陷落以及俄國太平洋艦隊主力被殲，不但使位於奉天附近的日軍主力完全沒有了後顧之憂，也使聯合艦隊暫時取得了制海權。當前日軍的首要任務就是利用這一有利形勢集中陸軍主力圍殲東北俄軍主力於奉天地區，勝利結束戰爭。日軍統帥部迅速將第三軍北移至奉天，同時國內緊急動員組建的新編第五軍也快速向奉天開進。
到1905年2月，日軍在奉天地區長達100餘公里的戰線上集結了5個軍，共27萬人，此外還有1082門炮和200挺機槍。大山岩元帥的作戰計畫是：以新到的第三軍、第五軍分別迂迴俄軍兩翼，第一軍、第二軍、第四軍以正面進攻牽制俄軍於沙河地區，保障第三軍、第五軍的迂迴運動，主攻指向俄軍右翼，由剛剛攻克旅順要塞的第三軍擔任。
此時沿沙河一線集結的俄軍有三個獨立集團軍：右翼為考爾巴斯指揮的第二集團軍，正面25公里；中央為比爾德林格指揮的第三集團軍，正面20公里；左翼為李涅維奇指揮的第一集團軍，正面45公里。暴露的翼側由獨立部隊掩護。俄軍總兵力33萬人，炮1494門，機槍56挺。雙方對比，日軍在機槍上佔優勢，俄軍在兵力和火炮方面佔優勢。
在沙皇政府一再催促下，庫羅帕特金準備在日第三軍和第五軍到達之前發動醞釀已久的攻勢，在沙河一線擊潰日軍主力，一舉扭轉頹勢。黑溝台戰役隨之爆發。
1905年1月25日，俄國騎兵支隊偵察到日軍左翼一個騎兵旅團位置突出，庫羅帕特金立即下令第二集團軍10萬人擔任突擊，首先佔領位於奉天西南40公里的小村莊黑溝台。這個日軍陣線實力薄弱的突出部僅由騎兵第一旅團秋山好古部的8000人警戒寬大的正面。兵力上的巨大優勢使得進攻俄軍很快形成了對日軍包圍。1月25日，被圍日軍在戰場上大規模使用了機槍，把衝鋒的哥薩克騎兵打得屍橫遍野。大山總司令官緊急調動位於後方第八師團立見尚文部奔赴增援，同時從各路抽調一切可能抽出的兵力編成臨時預備隊進行反擊，以緩解黑溝台方向的巨大壓力。
1月26日至28日，日軍西翼各部隊都在浴血奮戰。由於彈藥幾乎耗盡，已經60歲的立見尚文中將率第八師團殘餘部隊約10000人在第五師團的援助下全體以刺刀進行突擊，成功解除了10萬俄軍對自身和秋山好古部的包圍。這一勝利也成為大兵團「白刃突擊」的成功戰例。庫羅帕特金又一次喪失了千載難逢的戰機。由於擔心俄軍第二軍可能遭到分割包圍，俄軍沒有積極擴大黑溝台方面的戰果，不但停止進攻，還下達了撤退的命令，日軍渡過了最嚴重的一次危機。
隨著日軍第三軍、第五軍的陸續到達，日軍參戰的五個軍已悉數到齊，大山岩隨即決定集中兵力展開大規模攻勢。2月23日，日軍右翼第五軍川村景明部率先從太子河上游地區北進，在第一軍支援下，開始迂迴俄軍第一集團軍右翼。此舉完全出乎庫羅帕特金的意料，他立即將右翼預備隊調去加強左翼，這又正中日軍的調虎離山之計。
2月27日，日本第二軍、第三軍兩個軍開始迂迴俄軍右翼實施突擊，這一變著使俄軍立即陷入了困境。庫羅帕特金又倉促決定把預備隊從左翼調回右翼。部隊來回折騰，疲於奔命，還沒開打就已經累得半死。
3月4日，日本第三軍已經接近奉天以北的鐵路線，戰況緊急。在此期間，日軍從3月1日起對俄軍左翼也加強了進攻，但在俄國第一集團軍的頑強阻擊下進展不大。3月7日，庫羅帕特金命令左翼第一集團軍、第三集團軍放棄沙河陣地撤到渾河以北，企圖縮短戰線抽出部隊加強右翼，以新的反突擊防止日第三軍前出至奉天以北的鐵路線。可俄軍3月9日對日第三軍的反突擊沒有奏效，同時放棄沙河陣地的俄第一集團軍、第三集團軍也來不及在渾河上構築堅固陣地。在這種情況下，3月9日，日軍突破俄第一集團軍防線開始從左翼迂迴奉天。同日，日第三軍從右翼迂迴出現在俄第二集團軍後方，俄軍面臨被全面包圍的危險境地。
面對危局，3月9日夜間，庫羅帕特金下令放棄奉天，全軍向鐵嶺撤退。這道撤退命令下晚了整整一晝夜，俄軍撤退時在奉天留下了難以數計的大炮、槍械、彈藥和剛剛運來的大量軍需品。奉天城內外一片混亂，騎兵先於步兵和炮兵撤退，輜重堵塞了道路，失去指揮的部隊又屢屢遭到日軍炮擊，以至於在場的俄國高級軍官都以為庫羅帕特金三天之內就會向日軍求和。
3月10日，日軍昂首開進奉天，日本後來將這一天定為「陸軍紀念日」。3月11日，日本第一軍、第三軍在渾河地區會師。此時，俄軍主力已逃出了日軍的包圍圈，隨後在四平穩住陣腳。補給幾乎斷絕的日軍也已筋疲力盡，再也無力發動進攻，在前進到昌圖一線後停住腳步。這樣雙方近70萬大軍隔著20公里的中立地帶形成對峙，一直僵持到戰爭結束。
奉天會戰是日俄戰爭中最後也是最大的一次陸軍會戰。俄軍損失89000人，日軍損失70000人。俄軍的慘敗導致庫羅帕特金被撤職，降為滿洲第一集團軍司令，遠東陸軍總司令職務由李涅維奇接任。
由於奉天會戰獲得勝利，幾周後日本就以四厘五的優惠利率從英、美募集到3000萬英鎊的戰爭公債，要知道一年前的利率還高達六厘。俄國也早已財源枯竭，無奈，只好求助於盟友法國。作為盟友的法國也藉機落井下石，貸款60000萬法郎的同時，要求俄國必須高價購買法國的軍火和工業品，否則不給錢。俄國財政大臣科科夫策夫曾經抱怨說，德國克虜伯榴霰彈每發只需要17.5盧布，而法國類似的炮彈要23.8盧布，僅此一項俄國就需要多支付150萬盧布。
早在奉天會戰結束之前，美國總統老羅斯福就已經開始進行調停活動，試圖使俄國在輸光老本之前結束戰爭。羅斯福認為俄軍的失敗已成定局，「如果日本人獲得全勝，就意味著將來他們會把注意力從俄國移開同我們進行戰爭」。老羅斯福的建議得到了法國的附和。因為俄國人欠法國人的錢太多，萬一俄國被打趴，找誰要錢去？
對於美、法兩國的斡旋，日本政府的態度是審慎地等待更好的時機。日本外務大臣小村壽太郎認為：「在波羅的海艦隊到達和奉天取得決定性勝利之前，俄國是不會提出任何和平建議的。」為了給美法一個面子，日本故意提出了一套俄國根本無法接受的方案：日本獲得在俄國經營商品的優惠權，海參崴為中立商港，俄駐軍撤退到哈爾濱，俄國代替日本償還戰爭借款，南滿鐵路交給中日經營，交出海參崴分艦隊和逃到其他國家的艦隻，召回俄第二太平洋艦隊。這樣的條件，顯然是將俄國當作戰敗國來對待。俄國當然不會接受，因為他們還有希望，還有夢想，那希望和夢想來自海上。
全世界的眼睛再次轉往海上，注目那支萬里之外奔赴遠東的強大艦隊——它現在的名字叫俄國第二太平洋艦隊。