Куропаткин вновь нанес главный удар по фланговой 1-й армии Куроки. Пока японские войска окапывались, пытаясь сдержать мощь русских атак, маршал Ояма спешно собирал все свои силы в единый кулак, после чего бросил этот резерв на ослабленный центр русских. Японский натиск оказался настолько силен, что генералу Куропаткину пришлось прервать наступление, чтобы укрепить собственный центр. Вскоре обе стороны возобновили активные действия, однако так и не достигли заметных результатов. Потери русских достигли 40 тыс., японцев – 20 тыс. человек. Впервые за всю войну противники вынуждены были перейти к ведению позиционных действий.
Однако стабилизация линии фронта на реке Шахэ имела катастрофические последствия для осажденного Порт-Артура.
После взятия горы Высокая – ключевого пункта русской обороны – во время артиллерийского обстрела японцы смогли уничтожить стоявшую на внутреннем рейде эскадру. Последние атаки противника были нацелены на высоту Большое Орлиное Гнездо. Оборонял ее немногочисленный русский отряд, который, тем не менее, отразил пять японских атак. Перед началом 6-й по счету неприятельской атаки взорвался склад ручных гранат, находившийся рядом с командным пунктом. Погибли все русские офицеры, после чего уцелевшие солдаты-защитники Большого Орлиного Гнезда покинули высоту. Увидев на ней японские флаги, комендант Квантунского укрепленного района генерал-лейтенант А.М. Стессель 20 декабря 1904 г.
(2 января 1905 г.) решил прекратить сопротивление и подписал с представителями японского командования соглашение о капитуляции крепости и сдаче в плен гарнизона Порт-Артура. Оружие сложили 30 тысяч остававшихся в строю военнослужащих, в руки японцев перешло более 500 орудий, много винтовок, боеприпасов и продовольствия. Так закончилась 157-дневная оборона Порт-Артура.Сдача Порт-Артура. Плакат эпохи русско-японской войны 1904–1905 гг.
После этого потрясшего всю страну сообщения на Маньчжурском фронте произошло сражение под Сандепу 12–15 (25–28) января 1905 г. Получив подкрепление, генерал Куропаткин увеличил общую численность войск до 285 тысяч человек при 1080 полевых орудиях. Они были организованы в 3 армии – 1-й Маньчжурской армией командовал генерал от инфантерии Н.П. Линевич, 2-й Маньчжурской – генерал-лейтенант О.К. Гриппенберг и 3-й Маньчжурской – генерал-лейтенант А.В. Каульбарс. Куропаткин стремился сокрушить армии маршала маркиза Оямы (общей численностью 200 тыс. человек при 666 полевых орудиях) прежде, чем из Порт-Артура подойдет 3-я армия генерала Ноги. Русское командование планировало ударом своей 2-й армии по левому флангу японской 2-й армии (под командованием генерал-лейтенанта Оку) в направлении на селение Сандепу овладеть японскими позициями между реками Хуанхэ и Шахэ. Затем уже, силами свежих 1-й и 3-й армий, Куропаткин намеревался отбросить противника за реку Тайцзыхэ. Для нанесения первого удара выделялось 96 тысяч человек при 416 полевых орудиях. Японская 2-я армия (около 66 тыс. человек при 210 полевых орудиях) на участке предстоящего прорыва русских располагала всего 11 тысячами человек.
В январе нового 1905 года в жесточайший мороз начал наступление 1-й Сибирский корпус, молниеносной атакой занявший Хейгоутай – главный опорный пункт армии Оку. Однако плохо организованная артподготовка наступления и ввод 2-й русской армии в сражение по частям позволили японскому командованию подтянуть резервы, увеличив силы на участке прорыва до 47 тысяч человек. В результате продвижение русских войск было остановлено. Частные успехи 1-го Сибирского, а затем 10-го армейского корпусов не были развиты. Генерал Куропаткин отвел 2-ю армию на исходные рубежи. В итоге сражения русская армия потеряла 12 тыс. человек, а японцы – около 7 тыс.