在太后为东北的局势焦虑，袁世凯以其有限的兵力在关内外布防之际，俄、日两国也都基本上完成了作战的部署。在俄国方面，被任命为远东总督的阿克莱息夫的部署是：
一、以两个陆军师固守旅顺要塞。
二、以七千陆军防守海参崴。
三、以两个陆军师(约三万人)防守鸭绿江一线，阻击日军。
四、将远东陆军主力编为两个军团，一个布防于海城、辽阳、沈阳一带，阻滞日军，等待援军;第二军团屯驻于哈尔滨一带作为战略后备队。
五、海军则避免决战，保存实力，等待波罗的海舰队来远东汇合，形成绝对优势后，再与日本海军决战。
俄国当时的军事实力远超过日本，陆军至少拥有七十个师，约二百零七万余人，驻扎在远东的陆军为四个师约十二万人;海军则拥有太平洋舰队、波罗的海舰队和黑海舰队，各类舰艇二百五十艘，总吨位八十余万吨。俄国的国力、资源利于打持久战，故俄方总的战略是，以逸待劳，消耗日本的有生力量;战略目的是，以海军阻止日本舰队深入huáng海和陆军登陆作战，坚守海参崴和旅顺口;以一部分陆军阻击、迟滞朝鲜方向的日军，待增援部队到来和海军获得制海权后，大举反攻，在日本本土登陆作战。
日本则卧薪尝胆，经过十年的jīng心准备，此时陆军已拥有十三个现役师计二十余万人;海军则拥有六艘铁甲舰、六艘重巡洋舰(即所谓“六六舰队”)和其他一百五十二艘舰艇。日本军力、资源均远较俄国薄弱，故利于速战。日本参谋本部制订的作战计划为：
一、陆上先以三个师在朝鲜登陆，占领朝鲜;然后推进至鸭绿江。海上则以突袭方式歼灭俄太平洋舰队，夺取制海权。
二、陆上以陆军之一部渡过鸭绿江，出击、牵制俄军，主力则以三个师加二个旅的兵力，从辽东大孤山登陆，攻占旅顺口，然后与朝鲜过来的三个师汇合，北上与俄军主力决战。
三、在哈尔滨的俄军第二军团增援反击时，以决战歼灭之。
日军的战略目的是，攻占中国东北、俄国滨海地区和库页岛。1904年2月，日本已经获悉，俄军准备在波罗的海舰队到达远东，西伯利亚第三军团组成和旅大船坞竣工后对日开战;日本陆军参谋长大山岩向天皇建议先发制人，突袭俄军。2月4日，日本召开了第三次御前会议，决定对俄开战。2月8日，日军突袭仁川，泊于仁川港内的两艘俄舰被击沉，登陆部队随即开进并占领了汉城。9日凌晨，东乡平八郎率领的日本联合舰队突袭了泊于旅顺口外的俄太平洋第一分舰队，包括一艘铁甲舰在内的四艘俄舰遭受重创，被迫退入港内;日军随即三次将商船凿沉于海口，将俄国舰队封锁于港内，取得了海上优势。同日，俄国对日宣战，日本则于次日才对俄宣战。看来，日本人是惯于打这种突然袭击、不宣而战的战争的，往前说有甲午，往后看有“九?一八”和珍珠港。
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bī旅顺口。7月5日攻占旅顺城儿山，28日攻占剑山，30日攻占láng山;8月7日占领大小孤山，pào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qiáng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qiáng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pào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jiāo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qiáng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。