在陆战方面，日本第一军(约四万五千人)在仁川登陆，控制了朝鲜之后，于5月初越过鸭绿江，击败了俄军东满支队(一万九千人)，攻占了九连城、凤凰城，前哨直出太子河，威胁到辽阳俄军的侧后方。
5月5日，日本第二军(三万五千人)在辽东半岛的貔子窝登陆，于26日攻占金州南山，切断了旅顺守军与辽阳、奉天方向俄军主力的联系。
5月19日，日军第十师团在辽东大孤山登陆，6月8日攻占岫岩，12日占领怀仁。
5月29日，日军第三军(六万人)在大连附近的张家屯登陆，30日攻占大连及青泥洼，进逼旅顺口。7月5日攻占旅顺城儿山，28日攻占剑山，30日攻占狼山;8月7日占领大小孤山，炮击旅顺港内的俄国军舰。
在第三军接手围攻旅顺后，第二军则北上，一路攻克熊岳、盖平、大石桥、营口、岗瓦寨、海城，与辽阳方向的第一军会合。
7月，新组建的日第四军(二万六千人)也到达汤山城一线，这样日本第一、二、四军形成了对辽阳俄军的合围态势。8月24日—9月3日，双方在辽阳展开会战，日方参战兵力为三个军十三万人，由大山岩元帅指挥;俄军参战兵力为二个军团十五万二千人，由远东俄军总司令库罗巴特金上将指挥。日军攻势起初多被击退，但库罗巴特金因担心被日军合围，主动撤至沙河一线。此役日军伤亡二万四千人，俄军伤亡一万六千人。
9月末，俄军在增援的第一军团和西伯利亚军团开到后，增至二十一万人，日军此时只有十七万人，俄军因而从10月5日从沙河转入进攻，日军则针锋相对地进行反击;激战至17日，双方均因伤亡惨重而转入防御。此役日军伤亡二万人，俄军伤亡四万人，这是主力战场的状况。
在旅顺口方向，日第三军于8月9日发起总攻，伤亡二万人仍进展不大，攻势放缓，而后日军变强攻为围困，并以坑道爆破的方式实施突击。8月和10月又先后两次发动强攻，均未得手。之后，日本再开御前会议，决定不惜一切，从速攻占旅顺。11月26日，日军发起第四次总攻，在付出了一万七千人伤亡的沉重代价后，于12月5日攻克老虎沟(即203高地)，然后居高临下，以炮兵轰击被困在港内的俄国舰队，俄兵舰毁损严重，军心瓦解。12月底，日军又相继攻占二龙山、松树山，至此，旅顺周边的制高点均被日军占领，俄国守军已成瓮中之鳖。1905年1月2日，旅顺要塞司令斯图塞尔将军(Stossel)率守军投降。旅顺争夺战中，日军伤亡近六万人，俄军被俘三万二千人。
旅顺口陷落后，日本终于腾出了手，并扩编了第五军，与第三军一起北上参加奉天战役。1905年2月，日军在沙河一线共集结了五个军二十七万兵力，俄军则集结了三个军团二十九万三千兵力;2月18日，决战开始，日军以第三、第五两军分别向俄军两翼迂回，第一、二、四军从正面发起进攻;由于俄军统帅库罗巴特金对日军主攻方向判断错误，对预备队使用不当，造成俄军节节败退，并于3月9日全线北撤。10日，日军占领奉天，此后又相继攻占铁岭、开原、昌图，俄军则退守四平一线。此役日军伤亡七万一千人，俄军伤亡、被俘八万九千人。
在海上，当太平洋舰队被封锁于旅顺港内时，俄国抽调了波罗的海舰队的主力编成太平洋第二、第三两支分舰队，分别由好望角和苏伊士运河驶往远东增援。1905年5月5日，两支分舰队在越南海面会合;27日，当两支分舰队的三十八艘军舰通过对马海峡时，遭到占据数量优势的日本舰队(九十九艘)的截击。经过一昼夜的激战之后，俄军惨败，日军大胜;俄舰被击沉十九艘，被俘五艘，其余或触礁，或逃逸到中立国港口，只有三艘突围抵达海参崴，俄军伤亡五千余人，被俘六千余人，而日本只损失了三艘鱼雷舰，伤亡七百多人。
对马海战后，日本取得了制海权，6月下旬，日军于元山登陆，北上攻占了会宁;7月，日军第十三师在库页岛登陆，8月1日，俄守军投降。至此，日俄军事行动结束。俄国在远东丧失制海权后，已无直接打击日本本土的能力，尽管其陆上作战能力尚有很大余地，但因国内爆发“二月革命”，也难以继续对日作战。日本虽取得了重大军事胜利，但后备资源和财政也已陷入困境。因而在美国调停下，日、俄在美国的朴次茅斯坐下来谈判议和，并于9月5日签订了《朴次茅斯和约》。清廷在俄日和谈期间，于7月6日由外务部照会美、日、俄三国驻华使节，声明日俄和议条款内倘有牵涉中国事件，未经与中国商定者，一概不予承认。这一着在外交上很重要，承认了就永远失去了，不承认固然暂时收不回来，但将来国力恢复或强盛时还可以收回。大清国糊里糊涂地丢失了大片国土之后，总算吸取了教训。而后来丢失的大片国土，就是后来的糊涂者的责任了。
和约实际上是两个强盗之间的私相授受，背着主权国家对东北权益进行的再分配。和约有正约十五条，附约二条，主要内容是：
(1)俄国承认日本在朝鲜的政治、军事、经济方面均享有特殊的利益。日本在朝鲜的活动，俄国不得阻挠与干涉。
(2)双方约定，除辽东半岛租借地外，现被两国军队占领及管理的东北全部交还中国，由中国接收施行政务;俄国在东北的权益，凡违背机会均等主义者，一律取消。
(3)俄国将旅顺口、大连湾及其附近领土、领水之租界权，以及界内的一切设施财产，转让给日本。
(4)俄国将宽城子(即长春)以南至旅顺口的铁路及一切支线，连同附属财产、煤矿，无偿转让给日本。
(5)俄国将库页岛自北纬50度以南及附近一切岛屿永久让与日本。
(6)俄国准许日本在日本海、鄂霍次克海、白令海的俄属沿岸一带经营渔业。
(7)两国在中国东北之军队，除远东租借地外，限于十八个月内一律撤退;撤兵以后，两国皆可置守备兵保护在东北的铁路，守备兵数，每公里不得超过十五人。
权益瓜分完毕后，日本回过头来与清廷签订了《会议东三省事宜善后条约》(1905年12月22日)，在这个条约中，在获得清廷对日本在《朴次茅斯和约》中从俄国手中接收的全部权益的“概行允诺”外，清廷还允诺在奉天省之凤凰城、辽阳、新民屯、铁岭、通江子、法库门;吉林省之宽城子(长春)、吉林省城(即吉林市)、哈尔滨、宁古塔、珲春、三姓;黑龙江省之齐齐哈尔、海拉尔、瑷珲、满洲里等十六个城镇自行“开埠通商”。此外清廷还“允许由安东县至奉天省城所筑造之行军铁路，仍由日本政府继续经营，改为转运各国工商货物”，并与朝鲜的京义(汉城至新义州)铁路相连15。
清廷此时正处于与日本关系最为热络的时期。能够借助日本的力量收回东北全境，付出的代价不过是原来出让给俄国的权益，在清廷看来，应该是相当合算的。至于开放通商，本来就是清廷防止瓜分独占的基本策略，自然没有什么可反对的。笔者最初读近代史的时候，总纳闷清廷和李鸿章、袁世凯怎么那么窝囊，国家为何那样屈辱，后来才渐渐明白，这就是弱国尤其是战败国的命运，屈辱吧?没错，但无可奈何，今日的伊拉克不也还是如此吗?在国际政治中，败仗是千万不能打的。
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