日俄辽阳大会战中，日第一军在接到大山岩的作战计划后，计划在第二军和第四军进攻鞍山附近俄军的同时，对弓长岭的俄军防线进行夜袭。由于连日降雨导致河水上涨，进攻时间被推迟到13日拂晓。日第一军以4.6万人和120门火炮对俄军东满集群的西伯利亚第三军和第十军4.8万人、182门火炮的防线发起攻击。第二军和第四军则进攻鞍山附近的南满集群。日第一军在多个地点对俄国第十军进行猛攻，尽管俄军顽强抵抗，但军长未予反击，选择撤退。在日第二师团压力下，俄军第十军右翼开始撤退，最终被迫放弃安平岭，向汤河河谷撤退。
8月14日，日第四军和第二军继续根据命令进攻南满集群，23日接到总攻辽阳的命令。俄军东满集群在日军的压力下，撤退至辽阳防线，使得日军各军间的距离缩小，侧翼得以衔接。俄军在前线撤退后，于8月28日在辽阳新的前沿阵地构筑工事，准备防御。阵地分为马伊屯、早饭屯、高丽村三段，俄军各军分别防守这些区域，任务是保卫辽阳城和侧翼安全。
尽管俄军兵力对比占优，但情报错误导致他们误判日军实力，决定在前沿给予日军重创后反攻。然而，8月28日的正式进攻中，日军在损失5100人后，俄军仅伤亡3100人，俄军阵地稳固。尽管库罗巴特金下令转入进攻，但三位军长并未执行，错失反击机会。日军不顾伤亡，继续进攻，最终在31日占领俄军前沿阵地。第二军和第四军在进攻俄军右翼时遭受挫败。
31日晨，日第一军成功绕过俄军防线，进入辽阳核心阵地，库罗巴特金被迫改变部署，决定撤至第二道防线。由于指挥失误，俄军阵地相继失守，被日军占领。9月1日至3日，日俄两军在辽阳核心地带激战，俄军死守市区，但库罗巴特金的反击计划受阻。日军在面对俄军的顽强抵抗和日军的包围时，进展受阻。
面对日军的威胁和俄军士气低落，库罗巴特金在9月1日夜决定撤退至奉天，随后日军第一军也被撤回。9月4日凌晨，日军占领辽阳城，辽阳会战结束。日军指挥部在分析形势后，对第一军进行调整，而俄军的撤退行动导致了战局的逆转。
辽阳会战是1904年日俄战争中的第一次重大战役。日军大山岩统帅的3个军8个师13.5万人经过通过声东击西，顽强进击，击退了俄国满洲集团军的7个军13个师22.5万人，将其从坚固设防的辽阳地域打了出去，揭开了俄国陆军在中国东北全面崩溃的序幕。