東郷司令長官は、この旅順艦隊を洋上に誘致して撃破しようと敵艦隊発見から４時間半後に敵に追いつき、１３１５射撃を開始した。我が艦隊は敵の先頭を抑えようと北東に進路をとり、一方のロシア艦隊は日本軍の後方から遁走を図った。ウイトゲフト少将には日本艦隊を撃破しようとする意志は全くなく、ただ皇帝命令に添ってウラジオストック回航の一念のみであった。追撃から約３時間、距離７０００Ｍとなった１８３７　射弾一発が旗艦「ツエザレウィッチ」の艦橋に命中、ウイトゲフト少将以下幕僚は戦死、さらに機関員も倒れたため左旋回を始め、旅順艦隊の隊列は大混乱となった。主力は再び旅順へと逃げ帰り聯合艦隊は包囲態勢をとったが、日没を迎え、敵艦隊は四分五裂となって四散した。
２０００　東郷司令長官は砲撃を打ち切り、水雷戦隊に夜襲を命じ遁走した敵艦隊の捜索を開始したが、ともに戦果を挙げることはなかった。

ロシア艦隊中、旅順港まで戻ることができたのは、５隻の戦艦と１隻の巡洋艦だけで、損傷が激しい旗艦「ツエザレウィッチ」は膠州湾で武装解除された。その他巡洋艦２隻は上海とサイゴンで武装解除され、１隻は樺太まで落ち延びその場で座礁した。結局、旅順艦隊は１隻も目的地ウラジオに達したものはなく、残る艦隊もさんざんな目にあい、ロシアの作戦計画は挫折した。

日本艦隊も少なからず被害を被ったものの、戦死６４名、戦傷１６１名に留まった。この黄海海戦は、のちの日本海海戦の前にとかく軽んじられがちではある。しかしこの海戦によって旅順艦隊は事実上戦力を喪失し、制海権を握ったわけで、その意義は決して小さなものではない。東郷長官が期した「敵撃滅」の戦果は及ばなかったが、このとき用いた「丁字戦法」や「敵前一斉回頭」は、のちの日本海海戦に生かされることとなるのである。

残る「リューリック」に対して上村長官は、来援してきた「浪速」「高千穂」に処分を任せたが、同時に「溺れる敵兵を救助せよ」と命令、当時ウラジオ艦隊を憎悪していた我が将兵に異様の感を抱かせながらも乗員６００余名が救助された。
旗艦「ロシア」と「グロムボイ」は、使用可能な主砲は３門のみとなり、戦闘力を喪失、ふたたび出撃する力はなかった。ロシア艦隊３隻に対し日本艦隊は４隻、それゆえロシアは基本的に逃走を企図するも、戦闘局面においては極めて勇敢であった。むしろ上村艦隊の戦術指揮は慎重で、勝機を逸する場面すら見られたが最終的には敵艦１を撃沈、２隻に大損害を与え、日本艦隊に沈没艦はなく勝利の海戦となったのである。

黄海海戦と、続くこの蔚山沖海戦によって、ロシア太平洋艦隊は実質的に無力化してしまったのである。

豪雨が続いたため前進開始が遅れていた第１軍は８月２３日夕から行動を開始、ロシア東部兵団を攻撃した。激戦ののち２６日までに第１２師団、第２師団とも拠点を占領、さらに攻勢を続行したためロシア第１０軍団は翌日から退却を開始、ロシア軍の左翼に破綻が生じた。また第４軍も鞍山站の敵陣に迫った。クロパトキンは黒木軍の迅速なる進出によって東部兵団左翼が危険となったので、再び計画を変更、鞍山站の線での決戦を中止し、遼陽南側の陣地に総退却を命じた。度重なる計画変更と退却はロシア軍を混乱させ、士気を低下させることとなる。

退却するロシア軍を追って前進した日本軍は、８月３０日から遼陽南側の露軍陣地に対し、総攻撃を開始するも、頑強に抵抗するロシア軍の銃砲火によって損害が続出した。北大山の争奪戦では、歩兵第３４聯隊第１大隊が勇戦し、人格高潔で文武に秀でた大隊長橘周太少佐は戦死後は軍神と謳われた。優勢なロシア軍砲撃の前に第２軍、第４軍は苦境に陥り日本軍は危機に立った。しかし、３１日未明から太子河右岸に進出した第１軍主力はロシア軍の東翼を攻撃、９月２日には饅頭山を占領した。予備隊を使い果たしていたクロパトキンは、防御戦を後退させた後に兵力の集中を企図したが、夜間の突然の後退命令によりロシア軍の混乱は一層深まった。９月２日から饅頭山を巡って激しい争奪戦が続いたが、第２師団の岡崎旅団は、数倍の敵を撃破して山頂を再占領した。

９月３日朝クロパトキンは全軍の総退却に移った。連日の戦闘に疲労の極にあった日本軍は、弾薬も欠乏し追撃の余力はなかった。遼陽の占領までが限界で、ロシア軍退却に乗じることはできなかった。

本会戦は日露両軍の主力がはじめて行った野戦決戦であり、優秀なロシア軍を破った我が軍に対し、国民の士気は上がり黒木軍の名声は海外に轟いた。しかし期待した敵野戦軍主力の撃滅はできず、死傷者も日本軍の方が多かった。クロパトキンは「退却は予定の行動」と公報、引き続く第１回旅順総攻撃の失敗とともに我が軍首脳の憂慮は深まった。

ロシア満州軍総司令官クロパトキン大将は、遼陽会戦後一挙に鉄嶺までの後退を企図したが、極東総督の合意が得られず日本軍の停止もあって沙河付近に停止した。９月下旬には第１軍団、シベリア第６軍団等の増援も到着して日本軍よりも著しく優勢な兵力となったのでロシア宮廷の意向も考慮して攻勢を計画し、１０月５日から行動を開始した。

日本軍は各種情報からロシア軍の攻勢が近いことは察知できたが、�@現陣地で迎撃して損害を与えたのちに攻勢に点ずるか？�Aあるいは機先を制して攻勢をとるか？の両論が対立し、結論はでなかった。最右翼前方に突出していた梅沢旅団正面への敵兵が増加してきたので、第１軍司令官は１０月７日夜、梅沢旅団を後退させるとともに第１軍主力を右側に寄せて態勢を整えた。８日からロシア軍は本溪湖等に猛攻を開始し、右翼にて激戦がはじまった。

児玉総参謀長は６日旅順より戻ったが攻勢転移に関する満州軍総司令部の議論はなかなか決せず、各軍参謀長の意見を聞き、９日夜半攻勢転移の命令が発せられた。１０日から第２軍、第４軍が、１１日から全軍が攻勢を開始し、中央及び左翼からロシア軍両翼に向かって主攻が指向されたが戦局は進捗せず、この間我が方右翼方面では苦戦が続いた。 激闘が続く間に１２日を迎えた。第４軍の三塊石山の夜襲とこれに連携する第２軍の攻撃が成功し、ロシア軍東部兵団の総攻撃失敗とともに転機が訪れた。同日、満州軍総司令部は沙河左岸に向かう追撃を命令したが、ロシア軍の抵抗は頑強で、なお戦線は波乱と激闘が続いた。

満州軍司令部の幕僚は、引き続き北方に向かう攻勢の続行を主張したが、山縣有朋参謀総長から「国力の限界から戦線拡大を避ける」旨連絡を受けていた総司令部首脳によって制止された。１８日沙河左岸に陣地を占領することに決し、ロシア軍と付近に対陣したままで冬営の準備に入った。沙河の対陣は明くる春まで続いた。

１０月２６日極東軍総督アレキセーエフ海軍大将は解任され、クロパトキンが極東陸海軍総司令官となり、ロシア満州軍は第１〜第３軍に再編成された。
第１軍司令官　リネウィッチ大将（11/8奉天着）、第２軍司令官　グリッペンベルグ大将（12/8奉天着）、第３軍司令官　カウリバルス大将（12/15奉天着）である。クロパトキンは当初、本国からの増援到着をまって一大攻勢を行う予定であったが、旅順陥落によって第３軍が北上することを知り第３軍到着前に攻勢をとることにした。１月２５日　ロシア軍は攻撃を開始、第１、第３軍で日本軍を正面に拘束、第２軍で日本軍の西翼を包囲攻撃する作戦である。日本軍は日増しに増大するロシア軍に圧迫されていたが、２４日夜から最左翼の騎兵第２旅団や第２軍兵站諸部隊は撃退され、黒溝台も占領された。
新司令官として着任したグリッペンベルグ大将指揮のロシア第２軍の攻勢によって我が西翼に危機が訪れた。

大山総司令官は２５日　第８師団長に黒溝台方面の敵撃滅を命じ、２６日夜以降さらに第５、第２、第３師団の主力をも第８師団長に配属して臨時立見軍として反撃させた。一方ロシア軍は黒溝台占領後、沈旦堡を重点として秋山支隊の正面に猛攻を加えたが、秋山支隊は奮闘しこれを守り抜いた。またロシア軍は、臨時立見軍の攻撃も阻止し、黒溝台周辺で厳寒の地に連続三昼夜にわたって激戦が展開された。

２８日夜になりクロパトキンは、沈旦堡攻撃の成功の見込みがなく、逆に日本軍が大攻勢をとり極めて危険な態勢となることを恐れ、攻勢の中止を命じてロシア第２軍を渾河右岸に後退させた。功を急いだグリッペンベルグ大将がクロパトキン大将の意見を無視して強行する局面が背景にあったともされている。二人は大将昇進は同期であったが、１０歳年長のグリッペンベルグの方が宮中での発言権も大きかった。

ロシア軍が厳寒期に大規模な作戦をするはずがないと思い込み、不意を突かれた日本軍は指揮も支離滅裂となり、混乱したが、この危機は兵士の勇戦とクロパトキンとグリッペンベルグ両大将の不和によって辛うじて救われた。ロシア第２軍司令官グリッペンベルグ大将は、会戦後病気と称して帰国してしまった。