至七月十六日，倭军主力逼近奉天，一路烧杀抢掠，数万百姓被杀害，数个村子被烧成白地。
帝国军和奉军的联军在奉天布好阵势，集中主力准备与倭军决战。
倭军总司令白川大将决定在奉天歼灭帝国的主要抵抗力量，使得帝国军和奉军失去守卫关外的能力。
一旦联军战败，奉天失陷，张正森多年以来经营的重工业基地和关外千里沃土都将落入敌手。
整个帝国将失去北方唯一能自主制造火炮，坦克和飞机的兵工厂。
战争开始之时，双方实力对比如下：
帝国方面：
奉军第一集团军，下辖九个师，
奉军第二集团军，下辖七个师，
奉军第三集团军，下辖八个师。
帝国军第一集团军，下辖十二个师。
共五十六万余人。
倭军方面：
第一军，第二军，第三军，第四军，第五师团，第一骑兵旅团。共二十六万余人。
此时倭军战线的最右端，是川村中将的第五师团。
该师团兵力较多，约三万余人，配备火炮上百门，秘密集结在清河城一带。
紧邻第五师团左翼的，是黑木中将的第一军。下辖两个师团，该军拥有五万五千多人，三百余门火炮，被部署在本溪一线。
同样拥有五万五千多人的野津中将的第四军占据林盛堡地区，毗邻沙河镇，距离奉天城区不足20公里。
位于倭军战线最左翼的是奥保中将的第二军，固守着从林盛堡到浑河之间的地域。
此时在先前战斗中担任主攻任务损耗较大的乃木中将的第三军已完成了补充，正集结于战线之后的铁道线上，充当全军总预备队。
第三军在二十多年前就参与过倭国与帝国的战争，其表现出来的凶残与暴虐是其他军队都难以企及的。
但是那场战争中入侵高丽时，在坚固的汉城要塞，第三军被帝国军与高丽军的联军重创，不复往昔。
白川制定了《奉天作战计划》，以第五师团在第一军右翼各部的支援下，以雷霆之势攻向对面的张汉平的奉军第一集团军，迫其向后溃退，逼迫张正森调遣预备队支援利张汉平。
在奉军将后备力量调往左翼之后，第二军与第四军从中路发起攻击，拖住奉军部署在中央与左翼的第二、第三集团军。
当战斗进入焦灼状态后，乃木中将则趁势指挥第三军北上，与奥保中将的第二军一起分割包围奉军右翼，并向奉天以北迂回，切断奉天至铁岭的铁路干线。
总之，尽一切努力，争取将奉军一部甚至主力，聚歼于奉天城下。
虽然新调遣的第五师团极大地增强了倭军的实力，但对比奉军和其背后的帝国军，倭军兵力仍有显著差距。
为了尽量分散奉军的势力，在大约一个月时间内，倭国发动间谍四处造谣，表示有人发现倭军第三军正在向冰城方向运动、秋山少将的倭军骑兵第一旅团正准备向帝国军后方交通线发动破袭等等。
种种传闻之下，本就疑心甚重的张正森在分出一部分兵力加强四平至奉天的铁路线防御的同时，也格外重视起奉军左翼的动向。而奉天会战的失败，也由此开始。
七月十八日拂晓，东线的倭军第五军部分部队开始朝着奉军部署于山峦地区的守军发起进攻。
二十三日，暴风雪降临，倭军第五军全军顶风冒雪从太子河上游山区北进，在第一军右翼部队的支援下，开始向奉军第一集团军侧翼攻击渗透。
二十七日，倭军攻破清河城，张正森原本对这一地区并不重视，因为战线这一段地形多山，不易于大部队展开机动。
但当二十七日清河城失守的报告被送来后，他就再也坐不住了。
在即将大祸临头的预感下与“恍然大悟”的思虑之下，张正森当即下令从帝国军总预备队中抽调出一个师去加强战线的左翼，避免第一军在倭军精锐部队的打击下溃败。
在之后的几天内，倭军第五军继续在东线山区对奉军发起持续攻势，不断进逼。
种种情报最终使张正森判断，倭军正对其左翼发动打击攻势。
随后他下令将总预备队悉数遣往东部战线，协助第一集团军守备地区，以阻击倭军的攻击势头。
然而，这一举动正中倭军下怀。因为第一军的任务，只不过是诱敌而已。
二十七日，在第五师团成功诱使奉军投入预备队主力之后，第三军协同第二军开始对奉军右翼发起进攻。
二十七日中午，当得知乃木中将的部队出现在战场另一侧后，张正森陷入了两难的境地。
此时奉军防线正面宽度约一百公里，全防区宽度达155公里之多。防线两翼以中长铁路为基准，部队调动全靠马匹与双脚，所以从左翼重新集结兵力复又投入到右翼需要两三天的时间。
而在此之前，能用于充实右翼的兵力只有可怜的八个团。
二十八日，倭军中路开始发动牵制作战。全军的攻城重炮在此集结，集中火力轰击奉军在奉天外围的工事。
不过，由于弹药不足且射速缓慢，这些重炮只断断续续射击了一个上午便停止。
虽然未对奉军造成太大的损害，但这些巨炮轻易击碎重型地堡顶盖的惊人威力，却摧毁了外围那些杂牌守军本就不甚坚定的抵抗意志。
防线上的奉军不断向上级要求撤退。
正面也受到威胁的张正森只能采取拆东墙补西墙的做法，不断调动部队应对倭军出其不意的攻势。
一时间，奉军官兵疲于奔命，开往不同方向的部队将后方的道路挤得水泄不通。到了八月五日，奉军在右翼的兵力才基本到位。
两军在奉天西北的洪屯激战，奉军集中主要力量发起猛攻，倭军第五旅团一部参战的4200人，到八月六日夜就只剩下400多人还能继续作战。
秋山少将组织的日军骑兵主动出击，不断攻击奉军侧翼，最终迫使其放弃进攻。
八月七日，奉天会战进入了最后的阶段。
在乃木中将的率领下，第三军继续向北迂回，其前锋一度将铁路切断。
补给线受到威胁的奉军再次集结了六个师的兵力和上百门火炮，向第三军正面的第一师团发动强攻。