俄军的作战计划是：进攻分为左右两个集团组成，东部兵团（左）甴西伯利亚第1、2、3军和西伯利亚骑兵师组成，司令是施塔格里堡中将，负责从右翼进行包抄，对日军右翼施加决定性的打击，从东南方横切，截断日军的朝鲜半岛补给线，并包抄日军侧后部。；西部兵团（右）甴第10、17军，西伯利亚第5军和乌苏里骑兵团、沿海龙骑兵团等组成，司令是比尔丹林上将，负责牵制日军左翼，吸引日军。另外由西伯利亚第4、6军、第1军乃扎巴伊卡尔骑兵师、科卡萨斯骑兵旅为预备队。而日军也同样分成东部和西部两个兵团应战。
10月11日，俄军东部兵团以西伯利亚第1、3军为两翼开始攻击日军驻守的本溪湖防线，守卫本溪湖的是梅泽道治少将指挥的近卫后备步兵旅团的8个大队（营），第12师团14连队（团）。结果日军己明显劣势的兵力守住了防线。双方激战了一天，日军各部均陷入苦战，有的用尽了预备队已无兵可调，有的则是损失极大，许多中队小队失去了全部军官，士兵伤亡极大，部分小队甚至全部阵亡。而俄军是进攻方，损失更大，仅西伯利亚第3军就伤亡了3000余人。
而负责牵制的俄军西部兵团却遭到日本的沉重打击，各路进攻的俄军均被日军击败，由其是在12日凌晨，日俄双方围绕着战场要点三块石山展开了激烈的争夺。三块石山位于北大山西面，是由三个大花岗岩组成兀在平野上的石头山，海拔114米，能够防止日军进入北大山，保护西部兵团的侧背面，从而维持东西兵团的连接，守卫三块石山的俄军有2个团和一个炮兵旅。
双方从凌晨1点开始战斗，一直打到了正午10点，日军投入了1个旅团的兵力，付出了1500余人的伤亡，终于攻下了三块石山。
不过尽管日本付出了惨痛的代价，但却一举获得了战场的主动，由于俄军东西兵团的连接被切断，造成了俄军的混乱，加上俄军的士气本来就不高，因此西部兵团的西伯利亚第4军和第10军率先撤退，造成了一个大空档，而东部兵团也只能被迫后撤，很快俄军就形成了全面退却。
但日军由于兵力不足，无法趁胜进军，扩大战果，只能被迫再次在既得阵地上转入防御，只能在局部重点地区发动进攻，10月15日夜间，日军奇袭攻占了俄军阵的制高点万宝山，形成了对俄军防御中心的威胁。俄军随后展开反击，经过了两日激战，俄军以伤亡3000人的代价，终于重新夺回了万宝山，保住了自己的阵地。然后双方都无力再战，各自巩固既得阵地，加修工事形成对峙。
沙河会战结束，俄军伤亡4万余人，其中战死5084人，失踪5868人；日军伤亡2万余人，其中战死4099人。日本虽未取得全胜，但伤亡只有俄军的一半，而且不仅守住了自己的阵地，同时将防线向前推进了一步，并为日本下一步进攻奉天创造了一个不错的局面。
总体来看，日军虽然没能攻克旅顺，但也彻底切断了旅顺对外的联系，只用一个军的兵力就能够困住旅顺城里的守军，并且只用少量军舰就将太平洋舰队的残余军舰完全封锁在港口里，将制海权基本完全让给了日本。而在北线，日军连续取得了辽阳会战，沙河会战的胜利之后，日本已经取得了极大的战略优势，俄军已被迫退守奉天，并以奉天为核心，组织防御，总体形势十分被动。
到这个时候，日本国内对战争的结果都十分乐观，认为俄国己没有抵抗之力，日本已是胜券在握了，更有报纸甚致预测，最早到今年年底，最迟到明年的2、3月份，就可以结束了。因此不少媒体开始渲染这是一场比日清战争更伟大的胜利，标志着日本进入世界一流强国的行列，还有报纸则开出了停战的条款，认为日本可以获得8--10优日元的赔