3月15日，完成了集结的中国血军第三军团南路军和北路军分别从大辽河与辽东方向对日本发起了围攻，而基本晚上整合的俄国军队也开始了对日军进行的反击，三路反击大军总兵力达到五十万人，其中中国军队投入兵力高达三十万人，俄军投入兵力达到二十万人，而此时的日本满洲军因为后勤补给的原因，不得不进行选择，是留下来决一死战，还是撤军！
日本满洲军司令大山岩没有做出桂太郎那样的选择，他不会自杀的，他知道一旦他自杀，那么这二十五万日本满洲军就会被中国人和俄国人联手消灭。
从双方的士气上来说，中俄联军很明显更胜一筹。
当年中日联军其实根本说不上是联军，因为双方指挥官并没有相互沟通和从属的关系，而中俄联军才算得上是真正的意义上的联军。首先从双方合作程度上来说，中俄联军是相互沟通消息，并且是以中国军队为主导的一支联军。其次，从双方配合上来说，也不存在先后顺序，同进同归。第三，双方利益交换上，中国逐渐从伊尔库斯克撤军，俄国也不再追求在中国境内驻军，中国方面提出配合俄国对朝鲜半岛进行入侵统治，并且根据北纬三十八度进行划分，三十八度以南为俄占朝鲜，拥有不冻港仁川和釜山等，三十八度以北则为李氏朝鲜王国，改大韩帝国为原国名朝鲜王国。
中俄联手共同努力下，五十万联军对日本部队步步紧逼，而且49军从辽东开始快速穿插，有向朝鲜半岛扑去的战略意图。
中国东北战况与局势对日本人来说空前的不利，日本满洲军司令大山岩不得不开始步步退防到辽阳，试图利用辽阳工事进行抵抗。
3月16日，日本正式做出对日俄宣战的回应，宣布对中俄同时宣战，并请求英国进行支援，但是英国人老狐狸的尾巴漏出来了，英国人已经获悉日本海军联合舰队被全歼的消息，并不愿意效仿俄国一样万里迢迢来到中国进行远征。而随着《中俄停战条约》（又名《圣彼得堡停战条约》）的签订，俄国人既可以抽出手来对付土耳其和印度斯坦地区，又可以对付波斯王国，同时在远东他们还可以借助中国人对付日本。
英国此时才骤然发现，这次对俄国的围剿，实际上直接显示了中国的作用，如果英国想要彻底摧垮俄国，就必须要借助中国人的力量，只有中国人才能够遏制俄国人。曾经被英国人寄予众望的日本成了残废，大英帝国岂能还会再将希望放在他们身上，于是英国开始和稀泥，要求中日双方接受英国人建议的停战条约。
日本再一次感觉到极度受伤，不但被中国人给背叛了，还被英国人给背叛了，气得明治天皇三天三夜滴水未进，伊藤博文焦头烂额。
3月24日，中俄联军逼近辽阳战场，日军仓促备战，双方在辽阳展开决战。
此役日本满洲军司令大山岩并没有完全防守，而是以攻代守，日本四个军中以第一军与第四军作为正面防御，而第二军和第三军从左右两翼向中国军队发起进攻。
另一方面，中俄联军已经调整好了阵地，中国方面负责正面战场和右翼战场（西线），俄军负责左翼战场（东线）。
对于俄军来说，尤其是利涅维奇来说，他最擅长的不是防守，而是进攻，如今他负责向日军的右翼发起进攻，可以说是安全展现出了自己的进攻水平——更重要的是，前期中日合作的时候，中国方面派遣出大量谍报人员对日军的一切进行过侦查，火力点，布防图，交通线，甚至哪里适合炮兵阵地哪里适合伏击都一一进行了绘制，并且及时地交到了俄军手中。
利涅维奇拿着这份厚重的日军布防图大呼幸运，如果没有这份布防图，俄军当真是两眼一抹黑，于是利涅维奇开始率军发起猛攻。但是日军也主动发起进攻，双方可以说是遇到了一场遭遇战，只是这场遭遇战对日军来说显然吃亏不小，俄军二十万军队，日军只有五万军队，俄军抱着强烈的复仇心态来战斗，而日军由于海军遭到全歼，中国方面的宣战，导致日军后勤补给全断了，不知该战还是该走。
在这种矛盾心态下，日军的右翼第三军团很快就被俄军冲散了。
而中俄联军的右翼则是由38军和39军组成的主力部队，总兵力为10万人，他们的对手则是日军第二军，主要由第3师团、第4师团、第6师团、后备步兵第11旅团、骑兵第1旅团、野战炮兵第1旅团、2支后备步兵大队、第8师团组成，总兵力达到8万人，双方人数持平。
不过对于中国军队来说，他们是主场作战，天时地利人和占全了，气势如虹的38军与39军与日本第二军在大辽河展开激战。双方激战地点为后世的小北河、沙岭、黄泥洼、柳壕镇等地。由于日本采取了主动进攻的方式，放弃了坚固防事，让双方的战斗地形成为了一种摆设。
双方士兵像是冷兵器战争一样冲向了对方日本第二军司令奥保巩在最初三天的进攻无果情况下及时作出调整，进行防御作战，因此导致战斗从3月26日开始一直到4月2日，双方在大辽河不断激战，均付出重大伤亡。
对于日本军队来说，后勤补给被切断的弊病毕露无遗，而日军右翼（东线）被俄军突破之后，不得不进行全线收缩。随后，日军开始继续向南撤退，放弃了部分防御工事，退守辽阳以南。
中俄联军收复辽阳北部地区，此时俄军司令利涅维奇立即找到东北军区第三军团司令冉东，提出希望俄军能够休整之后向朝鲜半岛进攻。冉东随后向曹跃报告，曹跃思考之后决定接收利涅维奇的作战计划。
随后，俄军开始从辽阳正面战场撤军，进行休整，准备向朝鲜半岛进攻。