28 сентября 2-я и 4-я японские армии перешли в наступление. На направлении наступления 4-й армии главный удар пришелся по позициям Томского пехотного полка. Вскоре выяснилось, что противник стал обходить левый фланг полка. Для его прикрытия 3-я сотня верхнеудинцев стремительно выдвинулась на направление обхода японцев, спешилась, удлинив и отчасти загнув левый фланг пехоты. Через некоторое время весь отряд генерала Мищенко занял позицию на левом фланге Томского полка. 1 — я Забайкальская батарея перенесла огонь по обходящему противнику и вместе с 3-й сотней остановила продвижение его вперед. Сотня потеряла одного казака убитым и несколько ранеными.
До получения приказа на отход казаки Мищенко находились под огнем японцев, который все время усиливался. Подходили все новые и новые резервы противника. Казаки вели, как тогда было принято, непрерывный залповый огонь. Многие начальники судили о боевой части по умению вести залповый огонь, хотя эта войсковая традиция стала отживать свой век. Редкие японские цепи должны были обстреливаться прицельным огнем, а по их скоплению нужен был огонь пулеметов — но ими своевременно не вооружили казаков.
29 сентября отряд Мищенко был усилен 4-м Сибирским полком. В течение двух дней шел неравный бой с превосходящими силами противника, сосредоточивающего свои усилия на левом фланге и перед фронтом отряда. Казаки стойко удерживали свои позиции, не допуская обхода левого фланга 4-го Сибирского корпуса и прорыва японцев между этим корпусом и войсками генерала Штакельберга.
Ночью 29 сентября японцы, отброшенные в ходе дневных боев, тихо приблизились к позициям казаков, заняв близлежащие противоположные деревни. Утром противник стал выдвигать артиллерию для подготовки атаки, но не успели выйти на огневые позиции две горные батареи, как были буквально расстреляны 1-й Забайкальской казачьей батареей. На поле боя остались убитые и раненые японские артиллеристы, лошади, брошенные и подбитые орудия, вьюки. Около 15 часов японцы вновь попытались выдвинуть легкую батарею на позицию, но и на этот раз шрапнельный огонь казачьей батареи заставил японских артиллеристов и подразделения прикрытия бежать, бросив пушки и убитых.
В ночь на 30 сентября противник сосредоточил против отряда Мищенко шесть батарей, произвел перегруппировку пехоты и с утра повел наступление на казаков. Более двух артиллерийских батарей обрушили свой огонь на 1-ю Забайкальскую казачью батарею, пытаясь не позволить ей сорвать атаку густых японских цепей с фронта и с фланга.
Из-за того, что сильная обходящая колонна японской пехоты повела решительное наступление, отряд часть своих сил выделил для противодействия обходу. Две сотни казаков с двумя орудиями выдвинулись на левый фланг и ликвидировали угрозу охвата.
Несмотря на тяжелое положение, превосходство противника, большие потери, казаки отбили все атаки, а обходящий отряд отошел в исходное положение. Во многом отряд Мищенко обязан был великолепной стрельбе казачьей батареи полковника Гаврилова.
С подходом на подкрепление батальона Выборгского полка часть сотен вместе с пехотными ротами перешли в наступление и заняли японские окопы. I — я Забайкальская батарея успевала вести контрбатарейную борьбу и поддерживать атаку казаков и пехотинцев.
Вечером отряд Мищенко был сменен бригадой 22-й пехотной дивизии и отведен назад, но утром обнаружилось, что пехота, никого не предупредив, отступила, и казаки опять оказались впереди своих войск. Перешедшие в наступление японские цепи были остановлены огнем 1-й Забайкальской казачьей батареи. Отряд быстро снялся с бивака и занял оборонительные позиции. Забайкальские казаки снова втянулись в тяжелый оборонительный бой, охраняя левый фланг 37-й пехотной дивизии, которая до позднего вечера последней удерживала высоты правее отряда. Стойкость казаков отряда во многом способствовала успеху 37-й пехотной дивизии при ведении оборонительного боя и при отходе ее к вечеру 1 октября. 1 — я Забайкальская казачья батарея находилась на огневой позиции до последнего снаряда, не позволяя японцам организовать преследование отходящей дивизии.
В течение последующих пяти дней сражение стало постепенно затихать. 6 октября, в последний день Шахэйского сражения, 1-я Забайкальская батарея выдержала тяжелую артиллерийскую дуэль с двумя японскими полевыми батареями. В бою был тяжело ранен подъесаул Н.В. Никонов. Несмотря на град японских шимоз и дождь картечи, казаки-артиллеристы не уронили славы своей батареи и вышли из тяжелейшего боя победителями, заставив замолчать обе эти батареи. С последними выстрелами 1-й Забайкальской казачьей батареи закончилось сражение на реке Шахэ. Обе стороны свои поставленные задачи не выполнили.
Потери составили: убитыми — 3951 человек — японцы и 870 человек — русские; общие потери — японцев — до 20 тысяч человек, русских — 41 473 человека.
После Шахэйской операции началось «зимнее сидение» на Шахэ. Обе армии до середины января 1905 года не вели активных боевых действий.