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 армией 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 — для усиления атаки. Артиллерийская подготовка 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.
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 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 офицеров и 32 306 солдат.
Японская армия 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 Ивао Ояма на время отказался от активных действий, ожидая подкреплений с Японских островов.
Очевидец сражения на реке Шахэ британский наблюдатель генерал Я. Гамильтон в своих мемуарах описывает критическое положение японцев 13 октября, во время их наступления и штурма ими господствовавшей над местностью сопки Высокой. Схватка за нее отличалась особой ожесточенностью и потерями с обеих сторон: