很快，日軍用成千上萬俄國人的屍體鋪成了勝利之路。3月4日，日軍接近了通往奉天的鐵路，俄軍大部隊被迫退卻，情況十分危急，這時原準備在3月4日對日軍發起進攻的第二集團軍司令考爾巴斯卻按兵不動，喪失了給日軍以措手不及打擊的大好時機。3月7日庫羅帕特金令第一、第三集團軍放棄沙河陣地，撤至渾河以北，加強俄軍右翼。匆忙放棄陣地的俄軍還沒來得及構築新的防禦工事便遭日軍強有力的打擊。陣陣射擊聲不停地響著，盤繞在機槍旁的彈帶也越來越短，步槍射擊聲響亮而清脆，大炮轟鳴聲吞沒了與尖利的嘯叫聲混雜在一起的步槍聲。日俄兩軍在廝殺，此時下起了雪，他們進退踐踏過的陣地和渾身紅色血跡的屍體也被白雪覆蓋。
3月9日，第一集團軍防線被突破，俄軍陷入日軍包圍中，庫羅帕特金急令俄軍向鐵嶺撤退，沒有參戰的哥薩克騎兵先於炮兵和步兵撤退，笨重的輜重堵塞了去路，進一步加劇混亂。俄軍撤退時日軍在後麵的追擊使其雪上加霜。
3月10日，日軍攻入奉天，雙方展開巷戰，這是最後一戰。日軍把重武器搬上附近屋頂，向對麵咫尺之遙的俄軍展開猛烈轟擊，槍彈、炮彈打在街道兩側的牆壁上濺起串串火花，打在門板上打出團團火光，打在地麵上擊出個個彈坑，樓上的瓦片、磚頭、玻璃像冰雹一樣落下來，燃燒彈發出炫目的火焰。
街壘的俄軍全部戰死，而其他俄軍卻爭先恐後地逃跑。日軍趁機集中炮火左右夾擊，炮彈在人群中爆炸，血肉橫飛，俄軍官兵四處逃竄，相互踐踏，進一步加重傷亡，大部俄軍被俘，奉天會戰以俄軍的慘敗結束。
此戰是日俄戰爭中最大一次會戰，也是最後一次會戰。俄軍陣亡12萬人，日軍陣亡7萬人。
奉天會戰結束後，5月，俄國兩個太平洋艦隊在航行了8個月後來到了對馬海峽，他們打算趁日軍不備來個長途奔襲，卻不承想日軍早就以逸待勞。一個深夜一個俄國女人違背燈火管製點燈，與此同時東鄉平八郎在濃霧中發現了這一束微弱的燈光，他下令開炮。日軍的炮擊使俄軍措手不及，加之日軍的火炮戰鬥力極強，最終俄軍38艘戰艦有21艘被擊沉，7艘被俘，5艘重傷，日本僅損失3艘魚雷艇。日軍以死704人的代價殲敵5000人，以損失排水量300噸的戰艦為代價使俄軍20萬噸戰艦葬身魚腹。最後，俄軍艦隊司令羅傑斯特文斯基對東鄉平八郎說：“敗在你的手下，我並不覺得丟人。”至此俄國敗局已定。
與此同時，俄國神父卡本與請願群眾要求沙皇改革，但尼古拉二世卻令衛隊開槍，死500餘人，各地群情激奮，爆發革命，使得俄國雪上加霜，沙俄的統治就像塞在火山口的一團棉花，隨時都可能被焚為灰燼。尼古拉二世說：“俄國國內的繁榮比戰爭的勝利更重要。”而日本雖占上風，但在此戰後日本彈藥幾乎耗盡，無力再戰，連素來好戰的山縣有朋都說：“無論坐守陣地還是主動進攻，均前途渺茫。”於是在美國調停下雙方坐到了談判桌前，唇槍舌劍的談判開始了。