События под Ляояном начали развиваться следующим образом. 11 и 12 августа японская сторона провела против русской оборонительной позиции в ряде мест сильную разведку боем и заняла несколько высот. В большинстве случаев японцам удалось добиться частных тактических успехов. Однако их Гвардейская дивизия потерпела серьезную неудачу. Когда она обходила правый фланг 3-го Сибирского корпуса (переименованные войска Восточного отряда), то сама попала под фланговый удар русского резервного полка полковника Е.И. Мартынова. Императорские гвардейцы ударом в штыки были обращены в паническое бегство.
Утром бой повсеместно возобновился. Особенно кровопролитным он оказался на горе Кустарной. Японская пехота вклинилась здесь в оборону русских, но попала в искусно созданный русскими артиллеристами огневой мешок. Положение японцев на высоте усугубилось еще и тем, что по ней открыли огонь и свои батареи. Атакующим с большими потерями пришлось оставить гору Кустарную.
По приказу Куропаткина русские войска без боя оставили Айсянцзянский участок обороны Ляояна. Трудности продвижения обозов и артиллерии по размытым продолжительными дождями грунтовым дорогам превзошли всякие ожидания. Лошади и люди выбивались из последних сил. Порой в простое полевое орудие приходилось впрягать по 24 лошади, и те не могли тащить за собой завязшую в непролазной грязи пушку. Бывали нередкие случаи, когда такие орудия приходилось бросать по пути отступления, и они становились «трофеями» наступавшего вслед противника.
Вечером 15 августа войска Южной и Восточной групп заняли передовую оборонительную позицию, которая находилась всего в 7—9 километрах от города. Теперь Ляоянское сражение переместилось с горной местности на равнину. Это давало преимущество прежде всего атакующей стороне, поскольку ей теперь не приходилось с большими потерями в людях штурмовать высоты. Одновременно отход русских ближе к Ляояну позволил японским 1-й, 2-й и 3-й армиям сомкнуть фланги. Уже одно это являлось большим тактическим успехом.
Начался второй этап Ляоянского сражения. Командующий Маньчжурской армией вновь немалую часть своих сил оставил в армейском резерве и для наблюдения за флангами: 2-й и 4-й Сибирские, 17-й армейский и прибывавшие полки 10-го армейского корпуса. Опыт же предыдущих боев на полях Маньчжурии наглядно показывал, что резервные войска в них обычно не использовались, а сохранялись «на всякий случай». На передовой позиции оказались только три корпуса: 1-й и 3-й Сибирские и 10-й армейский.
К 17 августа 1904 года численность русской Маньчжурской армии под Ляояном достигала 180 тысяч человек при 644 орудиях. Три японские армии имели в своем составе 130 тысяч человек при 484 орудиях. Общее соотношение сил было в пользу русских — по пехоте 1,4 : 1, по артиллерии 1,3:1. Правда, штаб Маньчжурской армии опять располагал преувеличенными данными о противнике. По данным разведывательного отдела армии, японцы имели под Ляояном 153 тысячи человек, 568 орудий и 2900 сабель.
План маршала Оямы заключался в том, чтобы окружить русскую армию или, по крайней мере, вынудить ее отойти на более слабую позицию. Главный удар наносился по позиции 1-го Сибирского корпуса в направлении станции Шахэ и города Ляояна. На рассвете 17 августа японцы перешли в наступление, используя для внезапности атак заросли гаоляна перед русскими позициями.
Попытка японцев нанести сильный удар встык между 3-м Сибирским и 10-м армейским корпусами успеха не имела. Сибирские стрелковые полки залповым ружейным огнем отбили все попытки вражеской пехоты сблизиться с ними. В 10 часов утра противник захватил на позиции 1-го Сибирского корпуса деревню Чжуцзяпунцы и стал закрепляться в ней. Однако подошедший из армейского резерва 12-й пехотный Барнаульский полк с двумя полевыми батареями атакующим ударом выбил японцев из деревни.
Весь день 17 августа под Ляояном шли жаркие бои. Русская артиллерия вновь выиграла у противника контрбатарейную борьбу, ведя огонь с закрытых позиций. Успешно вели огонь прямой наводкой скорострельные пушки. 3-я батарея 90-й Восточно-Сибирской артиллерийской бригады за один день боя произвела 1776 выстрелов. В районе селения Гоцяки русская пулеметная рота буквально выкосила на расстоянии 750 шагов целую вражескую атакующую колонну. В тот день японцы потеряли убитыми и ранеными 5100 человек. Потери русских составили 3100 солдат и офицеров.
Русские корпуса удержали за собой ляоянские позиции и 18 августа. На сей раз 1-я армия генерала Куроки изменила место главной атаки, переправившись за ночь на противоположный берег реки Тайцзыхэ. О переправе противника в штабе 17-го армейского корпуса стало известно лишь в 9 часов утра. Но и этот день Ляоянского сражения не дал маршалу Ивао Ояме победного результата.