С утра начались атаки на форты № III и IV и промежуток между ними. В течение дня японцы произвели до пяти атак, но всюду были отбиты. Около 6 часов вечера предпринято было последнее решительное наступление на форт № IV и окопы к востоку от него. Атаке предшествовала сильнейшая артиллерийская подготовка. Форт засыпался фугасными снарядами, защитники вынуждены были укрыться в блиндажах. Японская пехота наступала густыми цепями и, несмотря на огонь артиллерии, стрелков и пулеметов, продвигалась вперед. Русские пехотинцы вели интенсивный ружейный огонь, накладки загорались, стволы приходилось поливать водой, раненые подносили патроны, воду и набивали ленты для пулеметов. Японцы подошли к укреплениям на 400 шагов, но, не выдержав огня, отхлынули назад.
На правом участке позиции противник обстреливал с утра редким огнем форт № V и ближайшие к нему редуты. После полудня огонь усилился, а в сумерки пехота двинулась в атаку на редут Д, ведя сильный ружейный и пулеметный огонь. Однако и здесь японцам не удалось подойти ближе 600 шагов.
8-й пехотный Сибирский Томский полк оборонял участок главной ляоянской позиции между редутами Е и Д, примыкавший к железной дороге и поэтому имевший особенное значение.
В течение ночи с 19 на 20 августа японские части развернулись пред левым флангом позиции IV Сибирского корпуса. Открыв сильный ружейный огонь, японцы атаковали редут Д и прилегающие окопы. Встреченные огнем 2-й роты 8-го Томского полка поручика Косырева, занимавшей редут, и 9-й роты поручика Жукова, японцы отошли в заросли гаоляна. Затем, силою уже до полка, они в 4.30 перешли в наступление на те же окопы. Понеся сильные потери от сильного огня томцев, они были остановлены в 150 метрах от редута Д. Отойдя затем на 400 м, они окопались у Китайского кладбища. В это же время наступавшие левее передовые части 4-й японской дивизии оттеснили охранение и в 4.30 атаковали редут Е. И здесь они были отбиты залпами Томцев.
Командир 8-й роты капитан Подстаницкий, оборонявшей форт № V, вспоминал о событиях 21 августа: «Земля стонет от грохота орудий скорострельных и осадных. Все пущено в бой. Город Ляоян объят пламенем… Целый дождь шрапнелей и шимоз осыпал наш форт. Из левого крыла редута прибежали с докладом, что ефрейтор моей роты Кузнецов убит. Бедному несколькими осколками шрапнели разбило голову и большой кусок врезался внутрь грудной клетки… Его с банкета унесли в блиндаж и приготовили к погребению. Через полчаса смертельно ранен унтер-офицер Малыгин. Ему шрапнель расколола череп… Вырыли две большие ямы. Около 5 часов вечера стало известно, что сегодня же придется уходить… В 7 часов вечера я похоронил своих умерших в готовых уже ямах. Под головы, вместо подушек, положили ящики из-под патронов, обернув покойников в палаточные полотнища. Я прочитал молитву «Со святыми упокой» и вместе с ротою горячо помолился за храбрецов, свято выполнивших свой долг перед Царем и Отечеством. Положив покойников в могилу, засыпал их чужой землею. Ровно в 8 часов вечера я с ротою, со слезами на глазах, с тяжелыми думами, покинул форт № 5».
Потери 8-го пехотного Сибирского Томского полка в ходе оборонительных боев 19—21 августа на западном фронте Ляоянского укрепленного района составили: 6 убитых, 57 раненых и 4 без вести пропавших нижних чина.
Противник – 38-й пехотный полк 4-й пехотной дивизии понес сопоставимые потери за этот период: 4 убитых и 81 раненый.
Таким образом, 21 августа, как и накануне, Ойяма направлял главный удар вдоль железной дороги, желая, по-видимому, прорвать 16-км фронт русских войск. Несмотря на все усилия, японцам это не удалось, благодаря стойкости войск и хорошему укреплению позиций.
После 19.00 ружейный и артиллерийский огонь стих, и атаки японцев прекратились. В 19.30 войска по приказанию г.-л. Зарубаева начали отход с позиций и переправу через Тайцзы. Все раненые были вынесены, орудия и обозы увезены, противнику не оставлено никаких трофеев.
Противник не преследовал, но немедленно занимал покидаемые окопы, причем вдогонку русским войскам неслись крики «ура!», а местами крепкие русские слова. Очевидно, что силы японцев были истощены.
Потери русской армии 11—21 августа 1904 г.
Около 4 часов утра 22 августа, когда все отставшие и арьергарды перешли на правый берег, мосты были подожжены, а железнодорожный подорван.
Потери японской армии 12—23 августа 1904 г.
* Кроме того, 1-я армия потеряла без вести пропавшими 18 человек, 2-я армия – 87.