23 сентября наша армия тронулась в наступление по всему фронту. Японцы быстро отходили на соединение с главными силами, избегая боя. 24 сентября наступление продолжалось: в Восточном отряде — ощупью, в Западном — очень медленно, с опаской и оглядкой. Мы овладели все же долиною Шахэ. Между обеими группами образовался разрыв, куда для заполнения был двинут IV Сибирский корпус. 25-го Восточный отряд завязал тяжелые и кровопролитные бои с армией Куроки, отсиживавшейся в укрепленном горном лабиринте, как в огромной крепости. Памятными остались кровавые бои у «Проклятой» сопки, ночная атака Лаутхалазы (29 сентября) и дела у Бенсиху.
В этих боях перебито было свыше 15 000 сибирских стрелков. Операции эти, веденные без карт (белые места), в гористой местности, при почти полном отсутствии горных орудий и мортир, могут считаться самыми тяжелыми за всю войну для сибирских полков. 26-го бои эти продолжались, а Западный отряд оттеснил японцев за реку Шилихэ, где получил приказание Куропаткина «в серьезный бой не ввязываться» и перешел к обороне. 27 сентября началось контрнаступление японцев. Успокоившись за Куроки, граф Ойяма усилил за счет своей I армии IV и II (Нодзу и Оку) и перешел ими в наступление против Западного отряда. 28-го наш Западный отряд был уже отброшен за Шилихэ — Нодзу атаковал IV Сибирский корпус, Оку главный удар направил на XVII корпус. 29 сентября XVII корпус был сбит, и отход его повлек отступление как Западного отряда, так и Зарубаева.
Отчаявшись в успехе, Куропаткин предписал отступить и Штакельбергу, Восточный отряд которого зря понес громадные потери. 30-го числа в бой были введены — по частям — все резервы, как VI Сибирский, так и I армейский корпуса. На рассвете 1 октября Оку нанес сильное поражение X корпусу, и вечером этого дня вся наша армия отошла в долину Шахэ. 2-го числа нами были потеряны командовавшие здесь высоты, в том числе знаменитая «сопка с деревом», но в ночь с 3 на 4 октября генерал-майор Путилов с отрядом из 7 полков блистательной штыковой атакой овладел как «сопкой с деревом» (с тех пор наименованной «Путиловской сопкой»), так и остальными высотами. Была уничтожена японская бригада и взято 14 орудий — первые трофеи этой безотрадной войны. Этим славным делом и закончилось кровавое 12-днев-ное сражение на Шахэ.
Соседняя с Путиловской сопка названа была Новгородской в честь далекой родины большинства победителей (22-я пехотная дивизия пополнялась новгородцами). Всего в сражении на Шахэ у нас убыло: 1021 офицер, 43 000 нижних чинов убитыми и ранеными, 500 пленными и потеряно 45 орудий. Японцы лишились 26 000 убитыми и ранеными, 500 взято в плен и 14 орудий.
Осенью и в начале зимы 1904 года внимание всего мира было устремлено на геройскую атаку и геройскую защиту Порт-Артура. В Маньчжурии октябрь, ноябрь и декабрь прошли в накапливании сил обеих враждовавших армий, готовившихся к зимней кампании. Время проходило в позиционной войне на Шахэ и поисках конных отрядов и разведчиков.
12 октября адмирал Алексеев просил государя освободить его от неблагодарной роли номинального главнокомандующего. Отныне главнокомандующим становился генерал Куропаткин. Маньчжурская армия в конце октября была разделена на две: 1-ю — самого Куропаткина и 2-ю, которую принял командующий войсками Виленского округа генерал Гриппенберг.
В октябре из Одесского округа подошел VIII армейский корпус генерала Мылова (14-я и 15-я пехотные дивизии), а с Дона — 4-я казачья дивизия 2-й очереди. Взамен ушедших на Дальний Восток войск в Киевском и Одесском округах развернуты из резервных бригад 51-я, 56-я, 68-я, 73-я и 78-я пехотные дивизии. Из Московского округа на Дальний Восток двинута 61-я пехотная дивизия. Наконец ценой убийственного торгового договора с Германией получена возможность отправлять войска из западных пограничных округов. В ноябре и декабре на Дальний Восток прибыли: 1-я, 2-я и 5-я стрелковые бригады, сведенные в Сводно-стрелковый корпус генерала Чурина, а из Виленского округа — XVI армейский корпус генерала Топорнина (25-я и 41-я пехотные дивизии). В конце ноября 1-ю армию принял генерал Лине-вич и была образована 3-я армия генерала Каульбарса (командующий войсками Одесского военного округа). Куропаткин сохранил за собою главное руководство.