Для деблокады путей сообщения на Порт-Артур по настоянию главнокомандующего наместника Алексеева командующий Маньчжурской армии Куропаткин бросил в наступление отряд ген. Штакельберга, потерпевший поражение в бою у Вафангоу 14–15 июня 1904 г.
Одновременно 2-я армия Оку оттеснила восточную группировку русских из горного района к Ляояну, где 24 августа — 1 сентября произошло сражение главных сил — русской Маньчжурской армии под командованием ген. Куропаткина и 1, 2 и 4-й японских армий под командованием генералов Куроки, Оку и Нодзу, под общим командованием марш. Оямы. Японцы ударами с обоих флангов стремились окружить русскую армию или заставить ее отойти на главную позицию. Но упорное сопротивление русских сорвало японские планы, и лишь неправильная оценка обстановки ген. Куропаткиным, давшим приказ к отступлению, привела к проигрышу сражения. Обе стороны понесли большие потери.
В это же время японцы выбили русских с Зеленых гор и перешли к осаде Порт-Артура. Первоначально, с 25 июля по 11 августа, они пытались взять крепость ускоренной атакой. После неудачи этих действий, понесшая большие потери 3-я армия ген. Ноги перешла к постепенной атаке, предприняв штурмы русской обороны в сентябре, октябре и ноябре.
Русские, отступившие к Мукдену, перешли в наступление, закончившееся встречным сражением у реки Шахэ 22 сентября — 17 октября 1904 года, завершившееся безрезультатно. Но японцы не имели достаточно сил, и фронт застыл. Началось так называемое «сидение на реке Шахэ», предтеча «позиционного тупика» Первой мировой войны.
Несмотря на героические действия русских войск, 2 января 1905 года вопреки возражению военного совета комендант крепости ген. Стессель сдал Порт-Артур японцам. Справедливости ради следует отметить, что резервы сопротивления русских были практически исчерпаны и крепость скорее всего пала бы в ближайшие пару месяцев.
Созданные в январе 1905 года 1, 2 и 3-я Маньчжурские армии под общим командованием ген. Куропаткина попытались перехватить инициативу в сражении у Сандепу 25–28 января 1905 года, но потерпели неудачу.
19 февраля — 10 марта 1905 года в результате наступления японских армий в сражении у Мукдена русские армии оказались в полуокружении и понесли тяжелейшее поражение, в результате были вынуждены отступить к Сыпингайским позициям. После Мукденского сражения больших боев в Маньчжурии не было, самым крупным событием был набег конницы ген. Мищенко.
После поражения русского флота в Цусимском сражении и начала революции дальнейшее продолжение боевых действий не имело никаких перспектив. Поэтому русские согласились на мирные переговоры. Японцы, исчерпавшие все финансовые и людские ресурсы, также пошли на заключение мира.