В дальнейшем сражение на реке Шахэ проходило с переменным успехом. Японцы во многих местах контратаковали, русские отбивались от них залповым ружейным огнем, огневыми налетами своих батарей и ударами в штыки. Командование корпусов вновь демонстрировало грубейшие тактические ошибки: оборона строилась однолинейно, пехота атаковала густыми цепями, отсутствовала должная связь. Бездеятельность проявляла стоявшая на флангах в ожидании приказа конница.
3 октября на левом берегу реки Шахэ произошел сильный бой за Новгородскую и Путиловскую сопки, которые занял сводный японский отряд из 5 батальонов пехоты при 30 орудиях под командованием генерала Ямады. Сопки занимали выгоднейшее положение, поскольку артиллерийский огонь с их вершин «перекрывал» всю долину реки Шахэ в обе ее стороны. Командующий Маньчжурской армии приказал вернуть эти утраченные позиции.
Для штурма японских позиций на сопках были выделены пехотная бригада из состава 2-го Сибирского корпуса под командованием генерал-майора П.Н. Путилова (одна из сопок была названа его именем) и три полка, которые были выделены для усиления атаки. Артиллерийская подготовка ее продолжалась полтора часа, после чего русская пехота пошла в атаку. В ночь Путиловская и Новгородская сопки были отбиты, а отборный пехотный отряд генерала Ямады почти полностью уничтожен.
Русскими трофеями стали 9 полевых и 5 горных орудий, один пулемет. Русские потери в бою составили около трех тысяч человек убитыми и ранеными. Японцам пришлось очистить соседние селения Шаланцза и Сахэпу, где они успели закрепиться. Очевидец поля боя на Путиловской сопке так описывал его:
«Ужасная картина представилась нашим глазам: вся сопка и идущая от нее равнина, насколько хватал глаз, были завалены трупами, из груд которых неслись стоны раненых.
Первым бросился мне в глаза красивый с благородными чертами лица мальчик-вольноопределяющийся с зияющей огромной раной на голове и штыковой раной в груди. Около него лежал японец, у которого вместо лица, была одна сплошная рана от ударов прикладами. Последний был еще жив и, когда его приподняли, стал знаками просить оставить его в покое.
Груды перемешавшихся наших и японских трупов были особенно велики в окопах и около них…»
Частный успех русских войск в бою за господствовавшие над долиной реки Шахэ Путиловскую и Новгородскую сопки не изменил общую картину сражения. Командующий Маньчжурской армией приказал з занять оборонительную линию на реке Шахэ, в силу чего русским корпусам пришлось податься назад. Потеряв в многодневных боях убитыми и ранеными 988 офицеров, 39 234 солдата и 43 орудия, русская армия оказалась на позициях, которые были несравненно хуже занимаемых войсками до сражения.
В зоне боев находилась ветка КВЖД. За время сражения на Шахэ по железной дороге было вывезено в глубокий тыл раненых и больных 1026 офицероа и 32 306 солдат. Функционирование железной дороги и обслуживание ее русским персоналом во много сопрягалось с личным мужеством железнодорожников. Один из свидетелей тех событий писал:
«Машинист, ведущий поезд под выстрелами неприятеля, надсмотрщик телеграфа, карабкающийся на телеграфный столб, когда рядом падают шимозы и почти из рук у него рвут телеграфные провода, путевой десятник, скрепляющий рельсы среди падающих снарядов, или телеграфист, остающийся один на разъезде, чтобы пропустить последний поезд, и уносящий ночью, среди неприятельских разъездов, аппарат, чтобы не оставить его неприятелю, – должны быть признаны такими же героями, как солдаты на передовых позициях».
Японские армии за 14 дней беспрерывных боев тоже понесла значительные потери. По японским источникам они составили почти 20 тысяч человек, в том числе убитыми 3951 человек. С окончанием сражения на реке Шахэ маршал Ояма на время отказался от активных действий, ожидая подкреплений с Японских островов.
В сражении на реке Шахэ русская Маньчжурская армия продолжала страдать старыми недугами. Командующий Куропаткин, его ближайшие помощники и штабы вновь оказались не в состоянии организовать решительное наступление и вырвать у врага инициативу. Людские же и материальные ресурсы армии позволяли это сделать. Действуя самостоятельно, командующие Восточным и Западным отрядами и корпусные командиры, не приученные к такой самостоятельности и обычно опекаемые в мелочах сверху, не проявили собственной инициативы в ходе сражения. Старшие военачальники не только не смогли организовать взаимодействия между собой, но и между подчиненными ими дивизиями и полками.
Несмотря на опыт предыдущих боев, построения боевого порядка русской пехоты во встречных боях на реке Шахэ продолжали оставаться слишком плотными и не могли устоять против быстро рассыпавшихся в цепи японских пехотинцев. Русские батальоны выстраивались в сомкнутые колонны поротно, вследствие чего в стрельбе могла принимать участие только незначительная часть бойцов. Такое построение пехоты, остававшееся еще с времен Крымской войны, давало при огне магазинных скорострельных винтовок огромные потери атакующих, обрекая наступление на неуспех.