旅顺陷落和俄国太平洋舰队主力被歼，使日本获得完全的制海权(至少在俄国欧洲舰队到达之前)。日方竭力利用这一有利的形势，围歼东北俄军于奉天地区，胜利结束战争。因此，日军统帅部迅速将第3军转移至奉天，同时新编第5军(鸭绿江军)也向奉天开进。

　　到1905年2月中，奉天地区日军在长达100余公里的战线上集结了5个军，27万人，1082门炮，200挺机枪。大山元帅的计划是：以新到的第3军、第5军分别迂回俄军两翼，第1军、第2军、第4军以正面进攻牵制俄军于沙河地区，并保障第3军、第5军的迂回运动。主攻指向俄军右翼，由第3军担任。此时，沿沙河一线集结的俄军成3个独立的野战集团：右翼为第2集团军(考尔巴斯指挥)，正面25公里;中央为第3集团军(比尔德林格指挥)，正面20公里;左翼为第1集团军(李涅维奇指挥)，正面45公里。暴露的翼侧由独立部队掩护。俄军总兵力达33万人，炮1266门，机枪56挺。在害怕爆发革命的沙皇政府催促下，库罗帕特金决定发动酝酿已久的攻势。在乃木第3军北上之前，企图在沙河一线击溃日军主力，这样就爆发了黑沟台会战。

　　黑沟台会战

　　日俄双方对比，俄军在兵力和火炮方面均占优势，库罗帕特金计划用第2集团军(5个军126个步兵营、162个骑兵连439门炮)共10万人担任突击，任务首先是占领奉天西南约40公里的一个村子沈旦堡(三叠铺)。库罗帕特金认为该村是日军整个阵地的关键。而这个方向上的日军，实力却异常薄弱，仅以骑兵第一旅团的秋山好古部8000人警戒宽大正面。二十五日来攻的俄军有：黑沟台方面的2个师(由32个步兵营编成)，沈旦堡方面的1个师(由16个步兵营编成)和向日军左侧插过来的米舒钦柯骑兵军(72个骑兵连)。被包围的日军秋山好古部率先在战场上大规模使用了机枪，把冲锋的哥萨克骑兵打的尸横遍野。大山总司令官十分重视战况的发展变化，在紧急调动位于后方的第8师立见尚文立即奔赴黑沟台的同时，也从各条战线抽调可能抽出的兵力，编成临时预备队进行反击。1月26日至28日，日军西翼的各部队进行了浴血奋战。立见尚文部子弹用尽，被迫进行了一场世界最大的白刃突击，突破了俄军对秋山旅团的包围，1月29日拂晓，以临时预备队的第5师，在由柳条口至长滩的西北方向上，分割攻击敌人阵地，以期各个击破黑沟合以南之敌。又一次由于克鲁泡特金总司令官缺乏果断，丧失了千载难逢的好战机。由于他担心俄军第2军可能会遭到分割包围。因而没有积极扩大黑沟台方面的战果。特别是由于日军部署在中央位置的部队(主要是第2军)的牵制活动，进一步增加了作战正面的危机感，以至几次拒绝俄军第2军司令官的增援要求。结果，不但停止了对黑沟台方面日军的进攻，而且下达了撤退的命令。日军渡过了一次最大的危机。

　　奉天之战

　　随着日军第三军乃木的到达和第5军的编成，日军已经集中了25万人，大山岩决定进攻已经集中在奉天的37万俄军，由于日军主攻方向是俄军右翼，它要迫使库罗帕特金把预备队从右翼调到左翼来。为此，1905年2月23日，日军右翼第5军川村景明部率先从太子河上游地区北进。在第1军支援下，开始迂回俄军第1集团军右翼。这一行动，完全出乎库罗帕特金意料之外，他立即将右翼预备队42个营(属西伯利亚第1军)调去加强左翼，而这正是大山元帅所求之不得的。

　　1905年2月27日，日第2、第3两个军开始迂回俄军右翼，实施主要突击。这一着使俄军陷入了困境：在绵延约100公里的战线上，俄军右翼的预备队只剩下1个师。俄国第2集团军要对付日本2个军(约96个营、288门炮对133个营、468门炮)，而且右翼挨打的同时，左翼2个集团军按兵不动。第2集团军被迫收缩阵地。此时，库罗帕特金又决定把预备队从左翼调回右翼。部队来回折腾，疲于奔命。

　　库罗帕特金决定对迂回其右翼的日第3军乃木希典的侧后发动反突击，为此从左翼2个集团军抽出若干连、营、团，匆忙编组一支混合部队，由考尔巴斯统一指挥。反突击预定于3月4日开始。3月4日，日第3军已经接近奉天以北的铁路线，情况紧急。但考尔巴斯声称部队没有完成集中，将原定的反突击日期推迟到3月5日，当时他指挥的第2集团军总兵力为120个营(8万人)，俄军进行了几次毫无效果的血战，3月7日停止行动。反突击没有奏效。日第3军继续向奉天以北迂回。

　　在此期间，日军从3月1日起对俄军左翼也加强了进攻，在俄国第1集团军抗击下，进展不大。但3月5日考尔巴斯发动反突击时，俄军左翼2个集团军按兵不动。3月7日，库罗帕特金命令这2个集团军放弃沙河阵地，撤到浑河以北。他采取这个决定，是企图缩短战线，抽出部队加强右翼，并以新的反突击防止日第3军前出到奉天以北的铁路线。

　　但是，俄军3月9日对日第3军的反突击又没有奏效，同时，放弃沙河阵地的俄国第l、第3两集团军来不及在浑河上构筑坚固阵地。在这种情况下，3月9日，日军突破俄军第1集团军防线，开始从左翼迂回奉天。同日，日第3军从右翼迂回俄第2集团军，出现在该集团军后方。

　　这样，东北俄军处于被包围的危险之中。3月9日夜间，库罗帕特金下令向铁岭撤退。撤退的情况相当混乱：骑兵(未参加会战)先于步兵和炮兵撤退，辎重堵塞了道路。部队失去指挥，又遭到日军炮击，后卫陷入日军包围之中。但日军也无力追击。1905年3月11日，日第1、第3两军在浑河地区会师。此时俄军主力已逃脱包围，随后在四平街占领阵地，直到战争结束。

　　奉天会战是日俄战争最后也是最大的一次会战，总计俄军损失近12万人，日军损失约7万余人。俄军的惨败，导致库罗帕特金被撤职，降为“满洲”第1集团军司令。远东陆军总司令职务由李涅维奇继任。奉天会战后，沙皇政府仍不甘心失败，继续向远东增兵，同时寄希望于从欧洲海域东调的太平洋第2分舰队。

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