11 (24) февраля перешедшая в наступление 1-я японская армия генерала Куроки до 18 февраля (3 марта) не смогла прорвать оборону 1-й русской армии генерала Н.П. Линевича. Куропаткин, полагая, что именно здесь японцы наносят главный удар, к 12 (25) февраля направил почти все резервы на поддержку 1-й армии.
13 (26) февраля начала наступление 3-я японская армия генерала М. Ноги. Но Куропаткин направил в район северо-западного Мукдена только одну бригаду. И лишь тремя днями позже, когда угроза обхода правого крыла русского фронта стала очевидной, он приказал 1-й армии вернуть направленные ей подкрепления для прикрытия Мукдена с западного направления.
17 февраля (2 марта) на Мукден повернули колонны 3-й японской армии, но здесь они встретили упорное сопротивление войск Топорнина. Тогда Ояма продвинул 3-ю армию дальше на север, усилив ее резервами. Куропаткин, в свою очередь, для сокращения фронта 22 февраля (7 марта) отдал приказ по армиям отходить на р. Хуньхэ.
24 февраля (9 марта) японцы прорвали фронт 1-й русской армии, и над русскими войсками нависла угроза окружения. «У Мукдена, – пишет очевидец, – русские войска очутились как бы в бутылке, узкое горлышко которой все суживалось к северу».
В ночь на 25 февраля (10 марта) войска начали общий отход на Телин, а затем на Сыпингайские позиции в 160 верстах от места боев. «С горы видно было все поле, покрытое отступающими войсками, и все шли какими-то беспорядочными кучами, и кого ни спроси, никто ничего не знал не только что о чужом полке, но и свои-то роты растеряли, и все старались только поскорее уходить, уходить и уходить, – вспоминал зауряд-прапорщик Ф.И. Шикуц. – Генерал Куропаткин сам смотрел на дорогу, по которой шел всякий сброд: обозы, лошади, ослы, солдаты всех сортов, между ними были и такие, которые тащили за плечами огромные узлы разного хлама и без винтовок. Это случалось, когда солдаты набирали разных вещей из обоза или ограбив китайцев; и так как нести все это было тяжело, то они, жалея бросать узел с награбленным добром, бросали сперва патронташ с патронами и патронные сумки, а затем, так как идти все-таки было тяжело, бросали уже и винтовки, а штык затыкали за пояс, и так шли дальше. Неся ношу и слыша выстрелы, им мерещился обход японцев, и тогда, побросав свои сокровища, они удирали без оглядки, но, опомнившись, им стыдно было бежать со штыком без винтовки, и они бросали и штык, а взамен брали палку. Когда нет никого, такой беглец идет и палочкой подпирается, а если кто новый попадается навстречу, то он начинает хромать, будто бы ранен в ногу, и опирается на палку, как на костыль. Такими судьбами они пробирались даже до Харбина, откуда их высылали по этапу в свои части, и начиналась опять та же история». Сам же Главнокомандующий вспоминал, как один из чинов его штаба, подъехав к такому безоружному, услышал от него вопрос: «А где тут идет дорога в Рассею?» – а на упреки в трусости получил такой ответ: «Какой-такой я сражатель – у меня за плечами шестеро детей».
В целом в Мукденском сражении русские потеряли 89 тыс. человек, в том числе около 30 тыс. пленными. Потери японцев были также велики– 71 тыс. человек. По мнению многих историков, одной из главных причин поражения русских войск под Мукденом было неумелое, нечеткое управление войсками.
«После Мукдена в обществе уже громко порицали войну, говорили, что давно предвидели то, что случилось, что всегда утверждали, что Япония непобедимая держава, что одни дураки называли японцев макаками», – вспоминал Н.Е. Врангель, отец знаменитого белого генерала. У русского командования оставалась последняя ставка – 2-я Тихоокеанская эскадра, составленная из судов Балтийского флота. Приготовления ее велись в расчете на то, что «дальнейших поражений у нас не будет и наступает эра побед». В океане к ней присоединилась еще одна посланная вдогонку группа кораблей, по выражению самих моряков, «археологического состава». «Вовсе и не нужно пессимистом быть, – записал перед походом один из его участников, – чтобы ясно видеть, что кроме стыда и позора нас ничего не ожидает». Эскадра, которой предстояло преодолеть 18 000 морских миль почти без захода в порты, без баз и угольных станций, вышла из Либавы на помощь осажденному Порт-Артуру еще 1 октября 1904 года. А 4 октября З.П. Рожественский был возведен в чин вице-адмирала с утверждением в должности начальника Главного морского штаба.