辽阳会战后，日俄两军大体上在奉天与辽阳之间的沙河地区互相对峙。1904年9月底，东北地区俄军约达21万人，758门炮，32挺机枪。防线长达90公里。同期，沙河地区日军约12万人，488门炮。前一阶段作战，日军消耗很大，为补充兵员，在国内进行了总动员，但仍不能根本改变兵力对比。向奉天退却的俄军大将见日军并未追击，即将军队停止于沙河右岸，日军则打扫完辽阳战场后占领了靠近太子河的右岸，以待战斗力的恢复，由于伤亡过大，日本大本营也担心俄军向满洲增兵事态，决定，急调国内第8师团于以增援辽阳战役受损过半的第二军。10月10日，日本第一，二，四军向俄军主力猛攻，俄军则以沙河为屏障，将部队在河的北岸一字排开，先守后攻。

日军猛攻俄军中央和右翼，想一举歼灭俄军主力。10月8日，俄军东部兵团（由73个步兵营和34个骑兵连组成）出现在日军右翼。从该地区可以攻击日第1军翼侧。10月9日，由45个步兵营和18个骑兵连组成的部队，对日军右翼边缘本溪湖—带发起攻击。部署在这个方面的日军，只有梅泽道治少将指挥的全部是老兵的近卫后备步兵旅8个联队。由于防守坚决，被日军誉为“光荣的梅泽旅”。日军顶住了俄军东部兵团的猛烈攻击。10月10日，又集中全军主力，从日军左翼向东北方向的俄军发起总攻。这次进攻因与猛插俄军右翼的骑兵第2旅团相配合，结果俄军不得不于10月12日开始全面退却。日军立即利用这一有利时机转入进攻，日军这一行动，导致一系列激烈的遭遇战。在入夜遭遇战中，双方均不使用炮兵，部队以密集队形投入攻击，士兵胳膊挨胳膊，大多数场合夜战以刺刀白刃战相告结束。为识别敌友，俄军士兵袖缠白布带。这种激烈的遭遇战持续至10月15日。日军进展不大，只是在某些地段将俄军顶回沙河地区。日军决定在取得的阵地上转入防御。同时，俄军司令官库罗帕特金决定10月16日晨向右翼日军发动进攻，以恢复在沙河左岸的原态势。但15日夜间，日第二军部以奇袭攻占俄军左翼第1军地段内具有决定意义的制高点万宝山(位于沙河堡地区)。日军占领该高地，造成了突破俄军防御中心的威胁。因此，库罗帕特金放弃原定进攻计划，令第1军不惜一切代价夺回该高地。经16～17两日激战，俄军以伤亡3000人的代价夺回了高地。日方死亡1500人。双方各自巩固既得阵地，加修工事，互相对峙，偶尔出动侦察部队或进行炮击。这种情况一直持续到1905年1月奉天会战为止。整个会战，俄方损失41000余人，日方损失25000余人。短短八天的会战，交战双方的尸体犹如大小不一的小山，连绵起伏覆盖了整个河岸，鲜血将沙河染成了红色。