Расчет японского командования строился на предположении, что русские не окажут упорного сопротивления в силу пассивности и нерешительности русского командования и отойдут на главную позицию. Поэтому было решено предпринять двухсторонний охват русских позиций всеми силами, не выделяя резерва.
Японцы для атаки развернули 91 батальон, 29 эскадронов и 402 орудия без учета сил 1-й армии. Японское командование на главном направлении имело четырехкратное превосходство в артиллерии. На вспомогательных направлениях соотношение в батареях было 1:1, а в орудиях 1,3:1 в пользу русских войск.
На рассвете 17(30) августа японцы перешли в наступление на передовые позиции русских. Удар по правому крылу 3-го Сибирского корпуса в направлении Уйдягоу — Цофантунь был настолько стремительным и сильным, что 2-й батальон 23-го полка, находившийся в боевом охранении, в течение 20 минут потерял 380 человек из 5007
. В результате этой атаки японцы захватили высоты, расположенные южнее и юго-западнее Цофантуня. Внезапности японской атаки способствовали густые заросли гаоляна перед позициями русских войск.Кроме энергичной атаки правого крыла 3-го Сибирского корпуса японская бригада (3-й гвардейский и 29-й резервный полки) в 11 часов предприняли атаку в стык между 3-м Сибирским и 10-м армейским корпусами. Однако сибирские полки залповым огнем отражали японцев, пытавшихся сблизиться для атаки. Артиллеристы выбирали наиболее важные цели, последовательно сосредоточивали на них огонь и быстро подавляли эти цели.
Глубокий маневр огнем скорострельных орудий был важным новшеством в исполнении артиллерии. Особенно успешно действовал дивизион полковника В.А. Слюсаренко. Расположив свои 32 орудия на закрытых позициях, Слюсаренко умело организовал огонь, что позволило ему подавить неприятельскую артиллерию перед левым флангом 3-го Сибирского корпуса.
В ходе боев 17–18(30-31) августа русские войска отразили все атаки японцев и отстояли свои позиции на всем фронте. В результате этих боев создалась благоприятная обстановка для нанесения поражения японским войскам. Крупные резервы русских, сосредоточенные за правым флангом, могли нанести мощный контрудар по слабому левому флангу японских войск и опрокинуть малочисленные части 1-й японской армии, переправившиеся на правый берег реки Тайцзыхэ.
Однако еще до получения штабом известия о переправе японцев через Тайцзыхэ Куропаткин издал директиву № 3, в которой говорилось, что, «…если выяснится переправа значительных сил противника на правый берег Тайцзыхэ для обхода нашего левого фланга, я решил для сокращения фронта обороны на левом берегу Тайцзыхэ отвести войска на вторую укрепленную позицию… и, собрав резерв, атаковать неприятеля на правом берегу Тайцзыхэ»8
.Куропаткин остался верен себе. Отказавшись от решительного сражения, он во второй половине дня 18(31) августа приказал командующим корпусами выполнить директиву № 3. Так, под предлогом сокращения линии фронта на главном направлении и сосредоточения более крупных сил на правом берегу Тайцзыхэ, которые отразили бы обход, предпринятый частями 1-й японской армии, началось очередное отступление русских войск. Русская Маньчжурская армия, прочно оборонявшаяся на всем фронте, из-за неумелого командования должна была оставить свои позиции лишь потому, что ее флангу угрожали незначительные силы японцев.
С наступлением сумерек русские войска, прикрываясь арьергардами, отошли с передовой позиции, которую они успешно защищали в двухдневном бою. Русские потеряли в боях за передовые позиции 6540 человек, японцы — 11900.
19-21 августа (1–3 сентября) разыгрались решающие бои на главной позиции. В ночь на 19 августа (1 сентября) японцы атаковали позиции неприятеля на правом фланге и в центре. В ночь на 21 августа (3 сентября) А.Н. Куропаткину от командующих частями стали поступать донесения, описывавшие обстановку на поле боя в крайне пессимистических тонах. В действительности положение не было таким, как оно рисовалось царским генералам. Даже в пассивной обороне русские войска нанесли тяжелые потери всем японским армиям. Японское командование ввело в бой все наличные силы. В то же время резервы Маньчжурской армии израсходованы не были и каждую минуту могли быть использованы для нанесения контрударов по флангу наступавших японских войск.
Японское командование, учитывая создавшееся положение, с утра 21 августа (3 сентября) решило отвести свою 1-ю армию за реку Тайцзыхэ. Однако приказ Куропаткина о дальнейшем отходе русских войск на 2 часа опередил намеченное отступление японских войск.
24 августа русская армия, отойдя на 50–60 км, заняла новые позиции под Мукденом.
С уходом русских из Ляояна в руки японцев перешла весьма важная база русских войск в Маньчжурии с большими запасами вооружения, снаряжения и продовольствия.