3月15日，完成了集結的中國血軍第三軍團南路軍和北路軍分別從大遼河與遼東方向對日本發起了圍攻，而基本晚上整合的俄國軍隊也開始了對日軍進行的反擊，三路反擊大軍總兵力達到五十萬人，其中中國軍隊投入兵力高達三十萬人，俄軍投入兵力達到二十萬人，而此時的日本滿洲軍因爲後勤補給的原因，不得不進行選擇，是留下來決一死戰，還是撤軍！
日本滿洲軍司令大山岩沒有做出桂太郎那樣的選擇，他不會自殺的，他知道一旦他自殺，那麼這二十五萬日本滿洲軍就會被中國人和俄國人聯手消滅。
從雙方的士氣上來說，中俄聯軍很明顯更勝一籌。
當年中日聯軍其實根本說不上是聯軍，因爲雙方指揮官並沒有相互溝通和從屬的關係，而中俄聯軍纔算得上是真正的意義上的聯軍。首先從雙方合作程度上來說，中俄聯軍是相互溝通消息，並且是以中國軍隊爲主導的一支聯軍。其次，從雙方配合上來說，也不存在先後順序，同進同歸。第三，雙方利益交換上，中國逐漸從伊爾庫斯克撤軍，俄國也不再追求在中國境內駐軍，中國方面提出配合俄國對朝鮮半島進行入侵統治，並且根據北緯三十八度進行劃分，三十八度以南爲俄佔朝鮮，擁有不凍港仁川和釜山等，三十八度以北則爲李氏朝鮮王國，改大韓帝國爲原國名朝鮮王國。
中俄聯手共同努力下，五十萬聯軍對日本部隊步步緊逼，而且49軍從遼東開始快速穿插，有向朝鮮半島撲去的戰略意圖。
中國東北戰況與局勢對日本人來說空前的不利，日本滿洲軍司令大山岩不得不開始步步退防到遼陽，試圖利用遼陽工事進行抵抗。
3月16日，日本正式做出對日俄宣戰的迴應，宣佈對中俄同時宣戰，並請求英國進行支援，但是英國人老狐狸的尾巴漏出來了，英國人已經獲悉日本海軍聯合艦隊被全殲的消息，並不願意效仿俄國一樣萬里迢迢來到中國進行遠征。而隨着《中俄停戰條約》（又名《聖彼得堡停戰條約》）的簽訂，俄國人既可以抽出手來對付土耳其和印度斯坦地區，又可以對付波斯王國，同時在遠東他們還可以藉助中國人對付日本。
英國此時才驟然發現，這次對俄國的圍剿，實際上直接顯示了中國的作用，如果英國想要徹底摧垮俄國，就必須要藉助中國人的力量，只有中國人才能夠遏制俄國人。曾經被英國人寄予衆望的日本成了殘廢，大英帝國豈能還會再將希望放在他們身上，於是英國開始和稀泥，要求中日雙方接受英國人建議的停戰條約。
日本再一次感覺到極度受傷，不但被中國人給背叛了，還被英國人給背叛了，氣得明治天皇三天三夜滴水未進，伊藤博文焦頭爛額。
3月24日，中俄聯軍逼近遼陽戰場，日軍倉促備戰，雙方在遼陽展開決戰。
此役日本滿洲軍司令大山岩並沒有完全防守，而是以攻代守，日本四個軍中以第一軍與第四軍作爲正面防禦，而第二軍和第三軍從左右兩翼向中國軍隊發起進攻。
另一方面，中俄聯軍已經調整好了陣地，中國方面負責正面戰場和右翼戰場（西線），俄軍負責左翼戰場（東線）。
對於俄軍來說，尤其是利涅維奇來說，他最擅長的不是防守，而是進攻，如今他負責向日軍的右翼發起進攻，可以說是安全展現出了自己的進攻水平——更重要的是，前期中日合作的時候，中國方面派遣出大量諜報人員對日軍的一切進行過偵查，火力點，佈防圖，交通線，甚至哪裡適合炮兵陣地哪裡適合伏擊都一一進行了繪製，並且及時地交到了俄軍手中。
利涅維奇拿着這份厚重的日軍佈防圖大呼幸運，如果沒有這份佈防圖，俄軍當真是兩眼一抹黑，於是利涅維奇開始率軍發起猛攻。但是日軍也主動發起進攻，雙方可以說是遇到了一場遭遇戰，只是這場遭遇戰對日軍來說顯然吃虧不小，俄軍二十萬軍隊，日軍只有五萬軍隊，俄軍抱着強烈的復仇心態來戰鬥，而日軍由於海軍遭到全殲，中國方面的宣戰，導致日軍後勤補給全斷了，不知該戰還是該走。
在這種矛盾心態下，日軍的右翼第三軍團很快就被俄軍衝散了。
而中俄聯軍的右翼則是由38軍和39軍組成的主力部隊，總兵力爲10萬人，他們的對手則是日軍第二軍，主要由第3師團、第4師團、第6師團、後備步兵第11旅團、騎兵第1旅團、野戰炮兵第1旅團、2支後備步兵大隊、第8師團組成，總兵力達到8萬人，雙方人數持平。
不過對於中國軍隊來說，他們是主場作戰，天時地利人和佔全了，氣勢如虹的38軍與39軍與日本第二軍在大遼河展開激戰。雙方激戰地點爲後世的小北河、沙嶺、黃泥窪、柳壕鎮等地。由於日本採取了主動進攻的方式，放棄了堅固防事，讓雙方的戰鬥地形成爲了一種擺設。
雙方士兵像是冷兵器戰爭一樣衝向了對方日本第二軍司令奧保鞏在最初三天的進攻無果情況下及時作出調整，進行防禦作戰，因此導致戰鬥從3月26日開始一直到4月2日，雙方在大遼河不斷激戰，均付出重大傷亡。
對於日本軍隊來說，後勤補給被切斷的弊病畢露無遺，而日軍右翼（東線）被俄軍突破之後，不得不進行全線收縮。隨後，日軍開始繼續向南撤退，放棄了部分防禦工事，退守遼陽以南。
中俄聯軍收復遼陽北部地區，此時俄軍司令利涅維奇立即找到東北軍區第三軍團司令冉東，提出希望俄軍能夠休整之後向朝鮮半島進攻。冉東隨後向曹躍報告，曹躍思考之後決定接收利涅維奇的作戰計劃。
隨後，俄軍開始從遼陽正面戰場撤軍，進行休整，準備向朝鮮半島進攻。