1904年9月13日，德皇威廉二世怂恿沙皇向东三省增兵，并认为可以获胜，沙皇觉得有道理，但他还没来得及增兵，日军就集中第二师团、第三师团、第四师团、第五师团、第六师团、第十师团12万多人、488门火炮发动了沙河会战，此时俄军虽放弃了辽阳，却在兵力上占优势。辽阳会战中，俄军预备队大部分没投入战斗，保存完整。但库罗帕特金却不想冒险向日军发起反攻，仍凭坚固工事等待日军来打。9月27日，沙皇催他进攻，库罗帕特金不得已制订出在浑河和太子河之间同日军作战，把日军赶过太子河，从而收复辽阳的计划，但该计划是纸上谈兵，俄军缺乏周密部署和准备，甚至连必要的作战地图都没有。而且左翼集团军在山地作战却缺乏山炮。
10月2日，库罗帕特金发表讲话说：“我军兵力充足，装备精良，足以战胜日军。辽阳失守后全军上下都渴望向日军主动出击，歼灭敌人，现在同日军会战的时机成熟了，使日本人屈从俄国人意志的时机既然已经到来，我军应勇猛歼敌。”
但日军统帅大山岩的部下在战斗中从俄国军官尸体上搜出了作战计划，借此大山岩获悉了俄军作战动向，并以此制定自己的计划，以逸待劳尽最大可能消耗俄军，通过有效的防御使俄军疲惫不堪，然后再以精锐部队投入反攻，所以他对俄军的多次挑战均拒战。
10月5日俄军发起进攻，当俄军进展顺利时库罗帕特金却令俄军暂停进攻，准备查明情况后制订作战计划。日军得此喘息机会后开始反攻，11日俄军炮兵向日军阵地猛轰，库罗帕特金亲临督战。战斗中俄国陆军多次发起冲锋，都被日军击退。日军随即趁浓雾掩护夺取了本溪湖东部山丘，俄军处境日趋危急。日俄战斗不分白天黑夜地进行，由于双方相距很近，而且又是大部队以密集队形投入，炮兵毫无用武之地，而多以白刃战结束战斗。争夺战中日军往往来不及喘息便陷入俄军反击中，只好又撤退，等待下一轮攻击开始，身后又留下一片狼藉的血尸。经常，在俄军白天反击中日军不得不撤退，随后又发起新一轮猛烈攻势，有时一天能进行几个回合，战火就这样持续着。
日俄双方都觉得这样不是个事，于是都启用了炮兵，大量的炮弹和炸弹倾泻在这里，战场上只见一片焦土。茂密的森林化为灰烬，整个战场让人感受不到一点生的气息，本溪湖东部山丘成了火海，成了坟场。双方将士的尸体一层层叠在阵地上，还没来得及抬走，就被新发射过来的炮火炸成肉泥。
14日，日本陆军中将载仁率军将俄军打退至沙河以北。这天德皇致电沙皇，说：“日本兵力财力已枯竭，应继续进行战争。”随后沙皇复电说：“不把日本人赶出东三省绝不停战！”
15日夜，日军奇袭万宝山成功。日军夜袭万宝山的成功对俄军构成严重威胁，10月16日，库罗帕特金令俄军不惜一切代价夺回这一战略要地，总攻开始了，一声尖利的嘶叫撕裂了天边的沉寂，五颗由迫击炮发射的信号弹同时升上天空，又划着弧线垂落下来。俄军所有的大炮同时发射，一发发炮弹冲出炮膛，带着震耳欲聋的呼啸冲向日军阵地。战场上火光冲天，天地间像一个烧红了的火炉，到处是火光，到处是硝烟，日本人的碉堡在巨大的爆炸声中迸裂、坍塌，碉堡里的日本兵一个个就像玩具一样被炸飞上了天。在这排山倒海的轰击中每一分钟就有数千发炮弹倾泻在日军阵地上，原本蓝色的天空此时被爆炸的浓烟和烈火熏得一片昏黄。
最终俄军以伤亡3000人为代价夺回万宝山，沙河会战结束。此战日军死了2万人，俄军死了4.14万人（参战22.16万人）。
战后御前会议上，明治天皇那只有力的大手握着一支粗大的铅笔，那只手缓缓地凝重地在沙河地区上划出几个巨大的红色箭头，箭头流着血，含着泪，燃着火，怒射向东北大地上最后的一块蓝色——奉天（日俄战争地图以红色表日本，蓝色表俄国）。