俄军在馒头山方面展开了反击，后撤的第35师左翼第140团位于馒头山西北约3公里，右翼第138团位于沙浒屯、宝净山、太子河岸一线，西伯利亚第5军艾克少将的第71师位于宝净山西面的头道沟，第3师主力位于太子河岸的桑元子附近，可作为支援。
第35师师长德布尔金斯基少将计划是以第138团、139团、140团为主攻兵力夺回馒头山和时官屯，下午两点开始炮击，五点发起进攻。然而上午十点，沙浒屯西南的高粱地里突然响起了炮声，炮击的目标是馒头山和时官屯西南刚刚被日军占领的133高地。
日军第2师团第15旅团在占领馒头山后，为避免被压制，便向制高点宝净山发起了攻击，第16连队第12中队和第4连队第1大队首先占领了133高地。
对其进行炮击的是东进中的第10军前卫——第31师1旅121团和炮兵31旅3营，德布尔金斯基想要阻止突然出现的友军的进攻，但为时已晚，121团已经向时官屯发起了进攻。德布尔金斯基只能马上命令138团一部和139团向馒头山攻击前进，而位于宝净山的138团主力和第31师2旅123团暂时没有行动。
比尔丹林指示德布尔金斯基，可以不按计划，提前发起总攻。上午十一点多，他向库罗帕特金报告，称准备傍晚时分恢复宝净山东方高地及时官屯附近阵地。
上午十一点三十分，进攻的日军按照第1军司令部向三道霸方向前进的命令，第12师团指示第23旅团向西、第12旅团经五顶山、130高地向烟台煤矿推进。第12旅团的行进顺序是第14联第3大队为先锋外加第47联队。
正午，第54师终于在次山南方与立沿沟的西伯利亚第1军取得了联络，获悉了库罗帕特金的指示。奥尔罗夫还不知第17军准备展开反击，将“指示”理解为不需要继续推进，并不要和西伯利亚第1军一起行动。
下午一点十分，奥尔罗夫向萨哈罗夫报告：因无法与西伯利亚第1军及第17军合流，将向烟台火车站方向撤退。撤退途中第54师遭到日军第14联队第3大队的攻击，溃败下去。
同一时刻，占领133高地的日军仍在苦战。除了要抵挡俄第10军121团的进攻外，还要遭受宝净山方向的火力压制。第1大队长下林保武少佐一面死守阵地一面向第15旅团请求支援，然而第15旅团的预备队已全部投入，冈崎只得组织担架队投入战斗，同时通知下林必要时可放弃高地。
俄军投入了新的兵力攻击133高地——第138团和第139团一部。下林率部击退了俄军的进攻，但伤亡也很大。冈崎认为再坚守下去将会全军覆没，一边调馒头山的第16连队第5中队、7中队增援，一边再次要求下林撤退。
第5中队、7中队抵达133高地。随着战斗进行，伤亡仍在持续，下林只得命令残部撤离
库罗帕特金经过情势分析，判断战况正朝有利于俄军的方向发展，他正在等待北面和东面第一线的进一步报告。逼近辽阳的日军第2军、第4军被堡垒阵地击退，库罗帕特金认为可借辽阳的胜利击退第一军的进攻。然而事态的发展完全与库罗帕特金预想的相反。
北进中的日军第12旅团逼近烟台煤矿，第14联队第3大队于下午一点五十分占领了次山东方的131高地、两点占领贵子山，后续的第12联队、第47联队于两点半控制了五顶山。
第54师在向烟台火车站撤退的途中与西伯利亚第1军相遇，施塔格里堡制止了奥尔罗夫的行动，并严令其率215团一个营转入进攻。
奥尔罗夫和第2旅旅长福明少将率215团残部向东出击，目标是正在进攻贵子山北方180高地的第14联队第3大队。215团并未侦察敌情，而是直接从第3大队侧面发起进攻，一番激战，奥尔罗夫和福明相继负伤，部队溃退了下去。
此时，库罗帕特金刚刚接到了第54师后撤的电报，电报称北进日军约为两个师团。他意识到了北方出现的危机，担心西伯利亚第1军支撑不住。
三点四十五分，库罗帕特金电令施塔格里堡停止前进，就地等待配合翌日的总攻击。
四点，烟台煤矿的西伯利亚骑兵师师长萨姆索诺夫少将急电施塔格里堡，称由于第54师后撤，无法独立防守，请求撤离。施塔格里堡回电：不得后撤，将增派第36团两个营和4门火炮，必须支撑到翌日的总攻。
萨姆索诺夫将部队集结于烟台煤矿西南面，根据斥候的报告，日军已渗入烟台煤矿附近的村子。实际上第3大队刚刚占领了180高地，尚未进村。萨姆索诺夫相信了报告，同时因为援兵未至，便烧掉了不便携带的军需品，开始撤离。
由于西伯利亚第1军停止了行动，导致库罗帕特金期望中的反击展开线——时官屯东北一线高地全部落入日军手中，而库罗帕特金还一无所知，他的视线被固定在了第17军反击馒头山上。
到了五点三十分，馒头山的日军第30联队发觉俄军的炮击越来越猛烈，预感俄军的反击即将来临。
但是第17军的反击却缺乏统一指挥，原因是部队太杂。攻击总指挥是第35师长德布尔金斯基少将，混成攻击部队组成为：左翼：第35师137团、139团、第3师10团，伊斯特明上校指挥；中央：第31师121团、123团、第9师33团，瓦西里耶夫少将指挥；右翼：西伯利亚第5军71师85团、284团，指挥艾克少将指挥。这些部队包括了不同归属的五个师八个团，相互不熟悉，协作显然不便。
当天的早晨六点，右翼的第85团率先发起进攻，突入了宝净山东端的时官屯村，但中央和左翼的部队还在等待支援炮击停止，没有行动。俄军支援炮击结束，左翼扑向馒头山，中央部队跟在其右后方。
在嘹亮的军歌声中，俄军从第30联队正面、第30联队与第16联队中间突入，并向山顶突击。照明弹衬出日军的影子，引导部队射击。曾经身为馒头山守军的第137团尤其卖力，攻击及其迅猛。
双方激战到晚上八点钟左右，俄军左翼逼近山顶。日军第30联队联队长马场带伤率部奋战，与登顶的俄中央部队混战在一起。由于天黑地窄，误伤频发。根据前线汇报，比尔丹林电告库罗帕特金，已击退了日军并占领了宝净山和馒头山。
日军第15旅团根据射击火光、尸体上的番号和俘虏的交待判断俄军兵力约为三个团，随即展开了反击，俄军中央分队陆续撤离，馒头山上只剩下了右翼分队。随着中央分队的撤离，瓦西里耶夫向第10军报告攻击失败，第10军中止了将第9师2旅投入战斗的行动。
伊斯特明指挥左翼分队向日军第30联队的左翼发动强袭。面对严重的伤亡和弹药不足，马场命令第5中队突击山顶，这个意外的举动令俄军退回了山顶。虽然伊斯特明指示部队坚守到黎明，但士兵们却三三两两地开始后撤，三个团的残兵毫无组织地离开了馒头山，涌向沙浒屯。位于沙浒屯的第10军也无法阻止败兵继续后退，军长斯鲁切夫斯基只得协调部队向稠井子撤退，同时命令第9师2旅担任掩护任务。
同一时刻，施塔格里堡带着第1师师长凯隆格罗斯和参谋侦察了次山南方的180高地，虽然库罗帕特金命令“停止前进”，但他认为180高地离铁路线太近，必须将日军赶走。侦察后发现日军数量不多，但当他准备把夜袭任务交给第1师时，凯隆格罗斯却以部队损失较大且十分疲惫为由，表示无法出击。施塔格里堡不得不面对现实，准备撤退。
库罗帕特金计划中的展开线已经被日军占领，而库罗帕特金还并不知情。
时间来到了9月3日零点，库罗帕特金接到前一天晚上八点半第17军发来的电报——已夺回馒头山和时官屯，他却未料到事实完全相反。不久西伯利亚第4军报告已击退进攻辽阳的日军，显示辽阳防御安然无恙。虽然第54师后撤了，但他还认为西伯利亚第1、17、10军、西伯利亚骑兵师已按计划在时官屯至烟台煤矿一线展开，可以按计划击退第一军。
为此库罗帕特金和萨哈罗夫还商议了作战计划：首先，预备队西伯利亚第3军于凌晨五点东进前往大麦庄北方的红土崖子；第10军主力进至罗大台北方的八棵树，紧跟西伯利亚第3军；密西琴科少将的扎巴伊卡尔独立骑兵旅负责第10军与西伯利亚第3军的联络；烟台煤矿的西伯利亚骑兵师与西伯利亚第1军连接，警戒左翼；第17军占据反击的基点。
由于前线报告不及时，这个计划完全脱离了实际情况。
此时，败退的步兵、骑兵、炮兵和辎重正混乱不堪地沿烟台铁路向西而去。到了凌晨两点，馒头山的枪炮声平息，除了被遗弃的尸体，俄军不见了踪影，第15旅团确认俄军的反击已经结束。张书屯南方的124高地，俄满州军司令部刚刚完成“第5号作战命令”，参谋们正在喝酒休息。
司令部接到辽阳堡垒阵地总指挥扎尔巴耶夫的急电，称目前手上预备队兵力已不足三个营，请求从西伯利亚第1军第9师抽调一个旅回辽阳。库罗帕特金很吃惊，这才意识到辽阳守军为击退日军付出了高昂的代价，而抽调一个旅将会影响当前的作战，因此他指示扎尔巴耶夫坚持战斗。
当天得1凌晨三点四十分，俄军司令部收到施塔格里堡的电报，称连续五天的作战累积的损失过大，若无强力增援则无法进行下一步作战，因此部队已撤至立沿沟，等待后命。
就在库罗帕特金愕然之际，参谋又送来了比尔丹林的电报：“夜晚我军失去时官屯及其后方高地……宝净山尚在手中……第35师已撤出时官屯和沙浒屯并在二道沟前方构筑了阵地。”
面对急转直下的战况，只有两个选择——继续强行反击或放弃辽阳撤往奉天。库罗帕特金考虑反击作战必须夺回被占高地，费时费力；反击作战期间辽阳阵地很可能失守；撤往奉天虽影响士气，但增援可期，有利于今后的决战。因此他下令：“中止反击作战，撤往奉天！”
此时渡过太子河的日本第一军对上了强敌陷入苦战，处境岌岌可危。见情况不妙，日本下令让第一军先撤回来。对日本人来说幸运的是，在日本第一军撤退命令到达之前，俄军先撤了，战场上的态势一下子大大地有利于日军。
虽然大山岩希望能在辽阳包围并消灭满洲俄军的主力，但是连日苦战的日军疲态尽现，甚至没有办法乘势追击撤退中的俄军，让库洛帕特金的部队井然有序地离开了战场。
辽阳之战日军伤亡2万多人，俄军的伤亡还不到2万，俄罗斯军官面对日军，继续展现出他们出色的指挥撤退和重新部署大部队的能力。但是气可鼓不可泄，付出巨大代价坚守的阵地就这样放弃了，对俄罗斯官兵的士气难免会产生巨大的打击。
日本方面，虽然人员和物资都处于劣势，火炮也不如俄罗斯，战斗初期还接连失利，但是日军却在俄罗斯人选择的战场上，把俄军从他们预先准备好的阵地上赶了出去，毫无疑问，这一战是日本的胜利。
这一场胜利也消除了进攻旅顺失利的影响，让英美财阀给日本递刀子的信心不再动摇。
库洛帕特金依然继续向圣彼得堡报告好消息，9月7日报告说他撤退及时，避免被日军包围造成重大损失，取得了巨大胜利。拿到报告后，俄罗斯战争部长维克托·萨哈罗夫)说：哥，咱能要点儿脸不？
辽阳之战后俄军撤退到奉天，在沙河北岸构筑阵地、修建道路和桥梁，只把骑兵留在南岸继续监视日军。接下来的几周里，双方都开始休整同时重组，为下一阶段的战斗做准备。
对库罗帕特金来说不祥之兆是，俄罗斯组建了第2集团军，沙皇派奥斯卡·格里彭伯格(oskargripenberg)过来指挥这个集团军。当然这个新组建的第2集团军，跟库罗帕特金原来的第1集团军，都还会在库罗帕特金的总体指挥之下，但是久混官场的库罗帕特金不会不清楚，这可能只是临时安排，沙皇随时有可能换人。
辽阳会战日军取得了胜利，但还不是决定性的胜利。而撤退到奉天的库罗帕特金也开始谋划反攻了，.