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在俄、日舰队争夺制海权的同时，日本陆军已经在朝鲜半岛陆续登陆。
1904年3月21日，日陆军第一军42000人在黑木为桢大将率领下，首先在朝鲜镇南浦登陆北进。4月中旬，日军长驱直入，未遇任何抵抗到达鸭绿江边。在对岸防守的是扎瓦里奇中将率领的俄“东满”支队25000人。与甲午战争大清鸭绿江防线类似，俄军部队也是分散配置在宽大的正面，占总兵力约半数的预备队配置在10公里以外的纵深地带。4月30日夜间，日军发起渡江作战，企图迂回到俄军左翼。5月1日，双方在九连城展开激战，俄军以炮火和反突击抵抗日军的进攻。由于担心被迂回包围，俄军随后被迫向辽阳撤退。日第一军立即前出凤凰城地区，准备向辽阳方向追进。
鸭绿江之战后，在英国开始流行一种看法，认为日本在这场战争中大约可以获胜，“至少不至于遭到毁灭性的失败”。这一作战还带来一个副作用，那就是日本在伦敦金融市场进行的战争融资活动取得了优异的成绩。
5月4日，由奥保巩大将指挥第二军38500人在旅顺口北面60公里处的南貔子窝登陆，竟然也没有遭到俄国陆海军的任何阻拦。5月5日，俄国远东总督阿列克谢耶夫海军上将乘坐豪华列车，仓皇离开旅顺，逃入奉天。5月7日，日第二军已经完全控制了狭窄的金州地峡。
日第二军试图从北面攻占旅顺。5月底，第二军开始进攻金州。在该地区担任防御的俄第四步兵师在进行了短暂的抵抗之后，径直向旅顺方向撤退。5月26日，日军占领金州。31日，攻克大连。开始步步向旅顺逼近。由于旅顺地面部队司令康特拉琴科少将坚持利用旅顺外围有利地形设防，日军才被阻击于旅顺以北25公里到30公里一线。
初战俄军节节败退，这让俄国沙皇尼古拉二世十分不爽。他严令远东俄陆军总司令库罗帕特金立即发动攻势，“要对旅顺的命运负责”。库罗帕特金勉强派出什塔克伯格的西伯利亚第一个军南下支援旅顺。6月14日和6月15日，日俄双方在得利寺、瓦房店地区展开激战，俄军再次败退，什塔克伯格丢下17门大炮和3000多伤兵仓皇北逃。自此，旅顺与东北俄军主力的联系被彻底切断，完全变成了一座孤城。
1904年6月20日，日军成立“满洲军总司令部”，以大山岩陆军元帅任总司令统一指挥各部日军。
当时的战场态势是，只要旅顺仍然在俄国人手中，俄太平洋舰队就可能随时出动，威胁在南满登陆日军的后方补给线。不占领旅顺，北面日军陆军主力就因为后顾之忧无法在东北平原进行大规模的地面作战。随着乃木希典大将指挥的第三军、野津道贯大将指挥的第四军先后在辽东半岛登陆，“满洲军总司令部”决定，日第二军、第四军立即北上参加辽阳会战，攻克旅顺的任务由乃木希典的第三军来承担。
乃木在甲午战争时只是一个少将旅团长，当时就参加过攻克旅顺的作战，本次可算是“故地重游”。包围旅顺的日第三军总兵力达6万人，火炮400门，机枪72挺。同时，东乡的联合舰队封锁了港口，旅顺已经变成了10年前的威海卫。为了尽快攻克旅顺要塞，日第三军所配属的火炮大部分属于攻城炮。
1904年6月下旬，日军第一军、第二军、第四军共三个军开始向辽阳方向攻击前进，在占领横山等制高点后转入防御。7月，第三军恢复对旅顺的攻势，旅顺外围俄军节节败退。到7月30日，旅顺外围俄军全部撤进要塞。
由于所有外围守军全部入城使得旅顺的防御力量有所增强，守军人数增加到4万人，炮646门，机枪62挺，港内还有海军舰艇38艘。唯一不足的是物资储备稍有欠缺，不足以应付日军的长期围困。负责旅顺防务的常败将军斯捷塞尔从金州失守之后就强烈主张放弃旅顺外围一切要地，退入要塞等待增援。连同样无能，已经逃跑的库罗帕特金都感到此人比自己更无能，不宜继续担任指挥，发出命令让他将指挥权交给斯米尔诺夫将军。斯捷塞尔竟然对斯米尔诺夫隐瞒了电报，以致后者直到战争结束才知道自己是真正的司令。接任马卡洛夫的舰队司令威特赫夫特也强调敌强己弱，始终龟缩港内，拒绝出海作战。
8月7日，日第三军攻占了旅顺要塞外围前沿制高点——大孤山和小孤山。8月19日，日军对旅顺要塞发动首次强攻。激战持续了整整五天，日军虽然夺取了一些前沿工事，但伤亡达到了惊人的2万人，防守俄军仅仅伤亡3500人。至此，日军被迫放弃了迅速攻占旅顺的企图，改取长围久困之计。
南面乃木希典所部日军强攻旅顺的同时，北边大山岩的日军主力也在积极筹备辽阳会战。旅顺打成了持久战，大山岩原拟等第三军攻克旅顺后北上参加辽阳会战的战略意图无法实现。随着时间的推移，俄国援军将从欧洲源源不断地赶到，推迟辽阳会战对整个战局非常不利。为此日军必须抓紧时机，在俄国援军到达之前，以现有第一军、第二军、第四军一举歼灭集结于辽阳地区的俄军重兵集团。
俄军统帅库罗帕特金扬言“宁死不从辽阳后退”，他决定依托前沿工事抗击进攻的日军，并伺机转入反扑。辽阳地区俄军防御阵地分为三道。第一道防线长75公里，位于辽阳以南和东南约30公里。第二道长22公里，距辽阳约8公里。第三道防线紧靠辽阳城，全长15公里。这三道防线特别是第一道纵深小，侧翼暴露，防御工事也没有最后完成，无法有效抗击日军的进攻。
8月23日，俄军按计划进入防御阵地。右翼南部集团是扎鲁巴耶夫指挥的三个军，左翼东部集团是比尔德林格指挥的两个军，辽阳以东还有几个军，另外两个军作为预备队。进入防御阵地的各个军又分别以40%~50%的兵力作为预备队。这样一来，实际上投入一线战场的俄军兵力就大打折扣。
相反，日军却不留任何预备队，孤注一掷，把全部兵力一次性投入战场。虽然在总兵力上处于劣势，却在局部的俄军两翼形成了拳头。日军计划由第四军从正面进攻牵制俄军主力，同时第一军、第二军两个军分别从东西两面迂回俄军左右两翼，以右翼为主攻方向。这无疑是一个以少数包围多数的大胆计划。8月24日，日第一军对俄军东部集团实施两翼迂回，企图把俄军注意力吸引到左翼，迫使俄军预备队左调，从而削弱其右翼，为日军第二军、第四军两个军主攻俄军右翼创造条件。8月26日，日第二军、第四军开始进攻。中间突破受阻之后，日军开始迂回俄军右翼。库罗帕特金担心俄军有被全部包围的危险，下令全线撤至第二道防线。
撤至第二道防线的俄军仍保持原来的部署，将大部兵力作为预备队，一线展开的兵力不过40%，打法也仍然是坐等日军进攻。8月30日，日三个军全部兵力同时发起进攻。俄军以机枪、火炮和刺刀顶住各路日军的进攻。双方激战一整天，攻击不利的日军被迫后撤。正面受阻的日军于30日夜间派第一军18000人，于31日晨迂回俄军左翼，同时加强对俄军右翼的进攻。
9月1日，俄军在左翼集结了三个军准备反击日第一军，反击定于9月2日开始。但9月1日夜间，日军迂回俄军左翼集团，占领了该方向时官屯、馒头山等一系列战术要点。库罗帕特金决定在实施全面反击之前首先夺回馒头山。为此分别从各个师抽出7个步兵团、154门炮的力量投入进攻。战斗于9月2日19时打响，俄军一度收复馒头山，日军随后展开反击，俄军失利。
库罗帕特金根本没有意识到当时日军已经投入了全部兵力且已遭到重大伤亡，尤其是日第一军单独与俄军强大集团对垒，因为处境极为不利，决定暂时后撤。就在日军准备撤退前两小时，库罗帕特金命令俄军放弃辽阳，退守奉天，这让日军得到了一个意外之喜。一直到会战结束，俄军大部分预备队都未投入战斗，兵力上的优势没有得到充分发挥。
9月3日，俄军向奉天撤退时，同样筋疲力尽的日军也无力组织追击。直到9月4日，日军才小心翼翼地进入辽阳。10天的战斗使得担任正面主攻的日第二军、第四军伤亡23533人，消耗炮弹12万发，基本上属于弹尽粮绝。作为防守方的俄军，伤亡也超过了18000人。
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形成对峙。到1904年9月底，该区域俄军达21万人，防线长90公里，而日军仅为13万人。为补充兵员，日本虽多次在国内进行了总动员，仍不能从根本上改变双方的兵力对比。居于劣势的日方决定在沙河地区转入防御，等待第三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兵力优势也不急于发动反攻，仍然是依托阵地等待日军来攻。
前线可以等，家里却不能。沙皇政府迫于国内革命运动的高涨和辽阳会战失利后国民对战争的不满情绪，严令库罗帕特金发动积极攻势以解旅顺之围。无奈之下，库罗帕特金只好重新制订新的进攻计划。该计划是对浑河与太子河之间的日军实施攻击，占领太子河右岸。俄军分左右两个集团：左翼三个军由施塔克尔堡指挥，向本溪湖方向实施主攻；右翼两个军由比尔德林格指挥向沙河方向前进，任务是把主攻方向之敌吸引过来。另以三个军作为预备队。左右两集团的进攻正面50公里，进攻速度每昼夜不超过5公里。由于俄方进攻准备工作不够隐蔽，战略意图被日方及时察觉。加之日方从俄国阵亡军官尸体上搜出了具体的作战计划，俄军的进攻完全丧失了突然性。
日军统帅大山岩决定将计就计，首先以防御战消耗、疲惫俄军，然后投入新锐力量转入反攻，猛攻俄军中央和右翼，一举歼灭俄军主力。10月8日，俄军东部兵团出现在日军右翼并于10月9日发起攻击。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团的8个大队，就这点力量，竟然顶住了俄军的集团冲锋。由于防守坚决，该部队后来被日军誉为“光荣的梅泽旅”。
大山于10月10日集中全军主力，向东北方向的俄军发起总攻，导致俄军于10月12日开始全面退却。日军立即利用这一时机全面转入进攻，一系列激烈的遭遇战持续到10月15日，日军进展不大，只在某些地段将俄军顶回沙河地区。补给严重不足的日军被迫再次在既得阵地上转入防御。
库罗帕特金决定10月16日在右翼再次发动进攻。15日夜间，日本第二军奥保巩部奇袭攻占了俄军左翼第一军地段内的制高点万宝山，形成了对俄军防御中心的威胁。库罗帕特金被迫放弃原进攻计划，令第一军不惜一切代价夺回该高地。经16日、17日两日激战，俄军以伤亡3000人的代价夺回了万宝山。双方各自巩固既得阵地，加修工事，形成对峙。这种情况一直持续到1905年1月奉天会战为止。
在为期两个月的激战中，日、俄双方均伤亡惨重。俄方损失6万余人，日方损失4.5万余人。
在此期间，一直龟缩在旅顺港内的俄太平洋舰队突围未果，几乎丧失了战斗力。辽阳会战之后，几乎所有观战的外国武官都认为，俄国的失败已经由“可能不可能”变成了“早与晚”的时间问题。
沙俄当然不会束手就擒。当俄国组建满洲第二集团军，准备将战争无限期进行下去的消息传出后，巴黎证券交易所所有与俄国有关的证券，狂跌不止。作为俄国最大的债权国，担心没处要债的法国首先希望停止战争。英国也表达了类似的意向，因为他的小弟兼打手日本财源也接近枯竭。战场形势有利的日本甚至破天荒地提出可以把旅顺留给俄国，条件是“不设防”。
各人有各人的想法，德国和美国就希望战争能继续进行下去。参战的双方他们都不喜欢，甚至憎恶，最好让他们流尽最后一滴血，两败俱伤才好，这样他们就会丧失在远东和其他地区扩张的能力。美国总统老罗斯福就曾经对德国驻美国大使施特恩堡说：“从我们两国的利益来讲，我们希望战争能够长时间地拖延下去。这样日本就无法在胶州湾威胁贵国，也无法在菲律宾威胁我国。”
美、德的小算盘打得不错。如果那样的话，不但没有了“黄祸”，也避免了“斯拉夫祸”，岂不是两全其美？善哉善哉。