不過日軍為了分散俄軍的兵力，並未集中兵力進攻203高地，而且分兵同時進擊203高地周邊的數個要塞，但結果造成了進攻兵力的分散，而且俄軍在203高地布置了嚴密的防守，因此戰鬥也進行的異常激烈，日軍士兵像螞蟻一樣向山頂爬去，一輪接一輪的毫無間隙，雙方都已分不清衝擊波的批次。而乃木希典命令炮兵連續不斷地炮擊俄軍工事，甚至不惜傷及正在接近敵人工事的己方士兵。但在俄軍的嚴密防守下，日軍盡管付出了慘重的代價，但仍然無法攻占203高地，
到了9月22日晚上，日軍僅僅隻攻占了龍眼北方堡壘和水師營堡壘兩個無關大局的要點，再次無功而返。而這一次日軍的傷亡為5000餘人，俄軍為1200餘人。
兩次進攻旅順未果，而且傷亡的兵力達2.5萬餘人，乃木希典也在日本國內受到強烈譴責。住宅也不時遭到民眾的襲擊，有的報紙上甚致要求乃木希典剖腹自殺，以謝國人。
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就在旅順進攻不利的同時，8月23日，日軍在北線也發動遼陽戰役，共投入第1 、2、4這3個軍約13萬兵力，而俄軍己在遼陽做好了充份的準備，共計集中了18萬兵力，布置了三道防線。
從總體來看，俄軍的兵力占優，但分散在三道防線上，而且將40%兵力作為預備隊布置，因此實際上投入一線戰場的俄軍兵力不足10萬，第一道防線上的兵力更是不到6萬人。相反日軍卻不留任何預備隊，孤注一擲把全部兵力一次性投入戰場，雖然在總兵力上處於劣勢，卻在局部上形成了優勢兵力。
8月24日，日軍以第1軍率先向俄軍第一道防線的左翼發動進攻，吸引俄軍注意力；8月26日，以第2、4軍迂回攻擊俄軍右翼。俄軍統帥庫羅帕特金擔心俄軍有被全部包圍的危險，於是下令放棄第一道防線，全線撤至第二道防線防守。
攻克了俄軍的一道防線之後，日軍的士氣大振，第8月30日，日三個軍全部兵力同時俄軍陣地發起進攻，全軍拚死衝鋒，並於9月1日攻占官屯、饅頭山等一係列戰術要點，9月2日俄軍發動反擊，一度曾收複饅頭山，但日軍隨後展開反攻，俄軍失利，饅頭山再度失守。
雖然這時俄軍的第二道防線也己失守，但日本己拚盡全力，並且遭到重大傷亡，而且又沒有預備隊，無力再發動進攻，但日軍士兵在戰鬥中混不畏死的勇敢衝鋒，讓庫羅帕特金感到了巨大的壓力，因此造成了判斷失誤，在9月3日決定放棄遼陽退守奉天，這也讓日軍得到了一個意外之喜。其實一直到遼陽會戰結束，俄軍大部分預備隊都未投入戰鬥，兵力上的優勢沒有得到充分發揮。
而這場戰役日軍傷亡23533人，其中陣亡5557人；俄軍傷亡17912人，其中陣亡失蹤3611人；因此出現了戰爭史上極為怪異的一麵，獲勝一方的傷亡竟然大於失敗的一方。
在遼陽會戰後，日俄兩軍大體上在奉天與遼陽之間的沙河地區形成對峙。至9月底，俄軍己聚集了22萬兵力，而日軍盡管多次在國內進行了總動員，補充兵員，但畢竟國力不足，僅僅隻恢複到戰前的13萬兵力，因此於是居於劣勢兵力的日方決定在沙河地區轉入防禦，等待第三軍攻克旅順之後，北上增援再轉入進攻。
本來日軍不進攻，庫羅帕特金也不打算立刻反擊，因為俄軍雖然在兵力上占優，但由於此前的戰事不利，士氣低落，而且不少部隊是剛剛到達前線，對前線的情況不熟，需要時間來重新恢複士氣，熟悉情況，因此庫羅帕特金打算仍然是依托陣地等待日軍來攻，消耗日軍。
但在9月24日，沙皇尼古拉二世的電報發到奉天，要求庫羅帕特金在短時間內取得決定性的勝果。原來俄軍連戰連敗，在俄國國內造成了巨大的反響，使國民對戰爭產生了極為嚴重的不滿情緒，社會民主黨等革命組織活動頻繁，7月內務大臣普列維被暗殺、8月敖德薩市第15師發生小規模嘩變；而中產階級中要求廢除**、要求君主立憲的呼聲高漲。因此為了轉移國民的視線，沙皇期望能在遠東地區盡快取得一場大勝，來平息國內的不滿情緒。
沙皇的命令，庫羅帕特金自然不敢違抗，隻好立刻著重新製訂新的進攻計劃。
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