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  繼遼陽會戰之後(1904年8月24日至9月4日),俄軍撤退到奉天以南的沙河重新編組。1904年10月5日到10月17日的沙河戰役中,俄軍未能擊退日軍的進攻,但是卻成功的使日軍放慢了腳步。俄軍的第二次阻擊戰黑溝臺戰役從1905年1月25日戰至1月29日,同樣未能擊退日軍。  而此時,旅順的陷落使乃木希典的第3軍得以抽出手向北前出到奉天附近,以支援日軍的陣線準備下一次進攻。到了1905年2月,日軍能夠調動的預備隊接近枯竭。隨著乃木的第3軍的加入,此刻日軍的兵力大部分集結在奉天附近。此時,嚴重的傷亡,滿洲冬天的苦寒以及俄羅斯波羅的海艦隊(第二太平洋艦隊)的到來使得大山岩元帥不得不盡快制定進攻計劃以完整的消滅俄軍力量,這遠比僅僅成功的驅使俄軍向北撤退來的重要。

  到1905年2月中,奉天地區日軍在長達100餘公里的戰線上集結了5個軍,27萬人,1082門炮,200挺機槍。大山岩元帥的計劃是:以新到的第3軍、第5軍分別迂迴俄軍兩翼,第1軍、第2軍、第4軍以正面進攻牽制俄軍於沙河地區,並保障第3軍、第5軍的迂迴運動。主攻指向俄軍右翼,由第3軍擔任。 此時,沿沙河一線集結的俄軍成3個獨立的野戰集團:右翼為第2滿洲軍,正面25公里;中央為第3滿洲軍,正面20公里;左翼為第1滿洲軍,正面45公里。暴露的翼側由獨立部隊掩護。俄軍總兵力達33萬人,炮1266門,機槍56挺。在害怕爆發革命的沙皇政府催促下,庫羅帕特金決定發動醞釀已久的攻勢。在日軍第3軍北上之前,企圖在沙河一線擊潰日軍主力,這樣就爆發了黑溝臺戰役。  日俄雙方對比,俄軍在兵力和火炮方面均佔優勢,庫羅帕特金計劃用第2滿洲軍(5個軍126個步兵營、162個騎兵連439門炮)共10萬人擔任突擊,任務首先是佔領奉天西南約40公里的一個村子沈旦堡(三疊鋪)。庫羅帕特金認為該村是日軍整個陣地的關鍵。而這個方向上的日軍,實力卻異常薄弱,僅以騎兵第一旅團的秋山好古部8000人警戒寬大正面。二十五日來攻的俄軍有:黑溝臺方面的2個師(由32個步兵營編成),沈旦堡方面的1個師(由16個步兵營編成)和向日軍左側插過來的米舒欽柯騎兵軍(72個騎兵連)。被包圍的日軍秋山好古部率先在戰場上大規模使用了機槍,把衝鋒的哥薩克騎兵打的屍橫遍野。大山岩元帥十分重視戰況的發展變化,在緊急調動位於後方的第8師團(立見尚文指揮)立即奔赴黑溝臺的同時,也從各條戰線抽調可能抽出的兵力,編成臨時預備隊進行反擊。1月26日至28日,日軍西翼的各部隊進行了浴血奮戰。立見尚文部子彈用盡,被迫進行了一場世界最大的白刃突擊,突破了俄軍對秋山旅團的包圍,1月29日拂曉,以臨時預備隊的第5師團,在由柳條口至長灘的西北方向上,分割攻擊敵人陣地,以期各個擊破黑溝臺以南之敵。又一次由於庫羅帕特金官缺乏果斷,喪失了千載難逢的好戰機。由於他擔心俄軍第2軍可能會遭到分割包圍。因而沒有積極擴大黑溝臺方面的戰果。特別是由於日軍部署在中央位置的部隊(主要是第2軍)的牽制活動,進一步增加了作戰正面的危機感,以至幾次拒絕俄軍第2軍司令官的增援要求。結果,不但停止了對黑溝臺方面日軍的進攻,而且下達了撤退的命令。日軍渡過了一次最大的危機。

  俄軍戰線縱深很淺但保留有一隻中央預備隊,整個陣線佈置在奉天以南,綿延約90英里(約140公里)。在右翼平坦的地域,是尼可拉·考爾巴斯()的第二滿洲軍。在中央,由亞歷山大·比爾德林()指揮的第三滿洲軍佔據鐵路和主要公路。佔據在東翼山嶽地帶的是第一滿洲軍,由尼古拉·連納維奇()指揮,在這個方向上同時佈置了俄軍三分之二的騎兵,由帕維爾·連內肯普()指揮。至此,庫洛帕特金擺出了一個純粹的防守姿態,日軍除非在整個戰線上達成重大突破,否則將很難甚至無法完成進攻。  日軍方面,第一軍(黑木為楨指揮)和第四軍(野津道貫指揮)前出到鐵路線東端;第二軍(奧保鞏指揮)前出到西端,第三軍(乃木希典指揮)隱蔽在第二軍後面直到戰役發起。新組建的鴨綠江軍(川村景明指揮)負責牽制俄軍東翼。鴨綠江軍編制上只有由來自旅順的第11師團以及預備隊組成,面對整個俄軍東翼將承受巨大的壓力。  庫洛帕特金相信日軍的主要突破方向將會是在陣線東翼的山嶽地帶,因為在這一方向上日軍表現的相當活躍;而且情報也顯示在這一地域出現了來自原隸屬第三軍的善戰的第11師團,所有這些表象都加強了他的這一判斷。  大山岩元帥的計劃是把他的部隊擺成一個以奉天為圓心的月牙,用以切斷俄軍逃跑的可能。在他的命令中明確的要求避免在奉天市區發生戰鬥。在整個日俄戰爭中,日軍追求細緻的民事政策以求能夠避免大量平民的傷亡,日軍希望以此能夠爭取到當地中國百姓的歡迎。

  1905年2月20日,日軍第五軍(鴨綠江軍)按計劃開始進攻俄軍左翼,由此拉開了會戰序幕。2月27日,日軍第四軍開始攻擊俄軍右翼;其餘的日軍部隊也開始進攻俄軍陣線。同一天,日軍第三軍繞過俄軍陣線,開始向奉天西北展開迂迴。  日軍主攻方向是俄軍右翼,它要迫使庫羅帕特金把預備隊從左翼調到右翼來。為此,2月23日,日軍右翼第5軍率先從太子河上游地區北進。在第1軍支援下,開始迂迴俄軍第1集團軍右翼。這一行動,完全出乎庫羅帕特金意料之外,他立即將右翼預備隊42個營調去加強左翼,而這正是大山元帥所求之不得的。  2月27日,日第2、第3兩個軍開始迂迴俄軍右翼,實施主要突擊。這一著使俄軍陷入了困境:在綿延約100公里的戰線上,俄軍右翼的預備隊只剩下1個師。俄國第2集團軍要對付日本2個軍(約96個營、288門炮對133個營、468門炮),而且右翼捱打的同時,左翼2個集團軍按兵不動。第2集團軍被迫收縮陣地。此時,庫羅帕特金又決定把預備隊從左翼調回右翼。  到了3月1日,日軍在俄軍陣線東部和中部的進攻雖然日軍沿著戰線取得了一些進展,傷亡卻是巨大的。庫羅帕特金決定對迂迴其右翼的日第3軍乃木希典的側後發動反突擊,為此從左翼2個集團軍抽出若干連、營、團,匆忙編組一支混合部隊,由考爾巴斯統一指揮。反突擊預定於3月4日開始。3月4日,日第3軍已經接近奉天以北的鐵路線,情況緊急。但考爾巴斯聲稱部隊沒有完成集中,將原定的反突擊日期推遲到3月5日,當時他指揮的第2集團軍總兵力為120個營(8萬人),俄軍進行了幾次毫無效果的血戰,3月7日停止行動。反突擊沒有奏效。日第3軍繼續向奉天以北迂迴。3月7日,庫洛帕特金不得不從戰鬥激烈的東線抽調部分部隊以應對迂迴到奉天西翼的日軍第三軍,他甚至計劃親自帶領部隊擊退日軍第三軍。但是,俄軍從東翼到西翼的調動協調的並不好,由此直接導致了第一和第三滿洲軍陷入混亂中。  大山岩元帥抓住了這個機會,他給部隊的命令由“進攻”改為“前進並摧毀”,進攻的重點擺在奉天東南部的渾河。此時,渾河河水由於寒冬而比往年解凍的時間更晚,由俄軍比哈伊爾·阿列克謝耶夫()指揮的左翼只能防守著此刻河面異常堅固的渾河,這極大的減輕了日軍進攻的難度。儘管如此,當日軍越過渾河的時候,他們的進攻由於俄軍頑強的阻擊和猛烈的炮火而非常艱難,經過激烈的炮戰和不停的進攻,日軍終於佔領了渾河北岸,由此帕維爾·連內肯普指揮的俄軍河岸防線崩潰並導致整條戰線的左翼被日軍打入了一個楔子。同時,奉天西部的戰線形成了一個大約15公里的突出部,日軍由此成功的從右翼將俄軍包圍。  由於存在被包圍的危險,勝利無望的庫洛帕特金於3月9日18:45下達全軍向北撤退的命令。但是撤退的情況相當混亂:騎兵(未參加會戰)先於步兵和炮兵撤退,輜重堵塞了道路。部隊失去指揮,又遭到日軍炮擊,後衛陷入日軍包圍之中,很快撤退變成了無組織的潰退。驚慌失措的俄軍放棄了傷員,重武器以及補給物資向北面的鐵嶺潰逃。  3月10日上午10點,日軍佔領奉天。3月11日,日第1、第3兩軍在渾河地區會師。同時前鋒繼續追擊俄軍,此時大山岩元帥意識到他的補給線太薄弱了,因此,他命令部隊的追擊行動減慢下來。在奉天城外20公里的地方日軍收住了腳步。但是俄軍一直向著中俄邊界方向潰退到鐵嶺以北。由此,日軍取得奉天會戰的全勝。

  俄軍的損失將近90000人,以及大部分的補給物資、火炮和重機槍。由於懼怕日軍的進一步進攻,庫洛帕特金命令將鐵嶺付之一炬,然後將剩餘的部隊10天內向北撤退到四平(位於吉林省),並在那裡建立了一條新的防線,在那裡米哈伊爾·貝特雅諾夫(,代替亞歷山大·比爾德林指揮第三軍)組織起防線以對抗日軍新的進攻。但是,庫洛帕特金沒有堅守防線太久,很快他指揮俄軍完全撤出了這一地區。日軍損失了75000人,並繳獲了俄軍58門火炮,不過相對俄軍,日軍的傷亡人數更多。  繼奉天會戰後,由於嚴重的傷亡,日俄雙方沒有再發生大的地面戰鬥。

  隨著俄軍奉天會戰的失敗,俄羅斯帝國的勢力被逐出了南滿。考慮到綿長脆弱的補給線所帶來的重重困難,日軍未能完全消滅庫洛帕特金指揮的雖然還算完整,但被嚴重削弱,同時面臨補給短缺和頻臨崩潰的俄軍部隊。但是,奉天會戰依舊嚴重的打擊了俄軍計程車氣,破壞了沙皇政府為戰爭付出的努力,同時未完成的西伯利亞鐵路在滿洲的部分現在也置於日軍的掌控之中。至此,日俄戰爭中陸上的戰鬥基本結束了,而整場日俄戰爭最終終止於之後的對馬海戰。  日本帝國的勝利震動了歐洲,雖然俄羅斯帝國擁有更多的人力和資源,卻被日本反轉擊敗了。戰爭首次證明了歐洲軍隊不是不可戰勝的,甚至有可能被完全擊敗。亞歷山大·薩姆索諾夫和帕維爾·連內肯普兩位俄國將軍,在戰後互相指責未能在戰鬥最激烈的時候給予對方有力的支援。當戰爭的結果傳到聖彼得堡的時候,沙皇尼古拉二世表現出極大的震驚,因為像日本這樣的亞洲小國竟然可以完全擊敗如俄國那樣的龐大的歐洲帝國。沙皇政府惱怒於戰爭中俄軍指揮官的失職與不作為,同時也非常沮喪而不得不將戰略重心再次轉移到巴爾幹地區,由此最終變成了接下來第一次世界大戰的一個引子。
奉天會戰從1905年2月20日開始至3月10日結束,爆發於大清帝國在滿洲的奉天地域(奉天現名瀋陽,是中國遼寧省省會),是第一次世界大戰前世界上最大規模的地面戰役之一,也是日俄戰爭中最後的決定性戰役。