Trận đánh bắt đầu từ ngày 25 tháng 8 năm 1904, khi nguyên soái Nhật Bản là Ōyama Iwao cho mở cuộc hành quân tiến vào Liêu Dương, sau khi nghe tin tướng Nogi Maresuke thất bại trong nỗ lực chiếm cảng Lữ Thuận một ngày trước đó. 125.000 quân Nhật đối đầu với 158.000 quân Nga được tăng cường từ châu Âu sang. Các lực lượng quân Nhật bao gồm các đơn vị của ba quân đoàn 1,2,4. Trong khi đó, lực lượng quân Nga được chia làm 3 nhóm: nhóm phía Nam bao gồm 3 quân đoàn Siberia 1,2 và 4; nhóm phía Đông gồm 2 quân đoàn Siberia 3 và 10 và nhóm dự phòng.[6]

Ngày 26 tháng 8, quân đoàn 1 Nhật Bản đã chiếm được núi Kosarei và đèo Hung-sha nằm ở phía đông nam thành phố Liêu Dương sau một cuộc giao tranh ác liệt. Tướng tư lệnh quân Nga là Alexei Kuropatkin tin rằng ông đã bị đánh bại và quyết định ra lệnh cho quân Nga rút lui trên toàn phòng tuyến. 6 giờ sáng ngày 27 tháng 8, nhóm phía Đông quân Nga quyết định rút lui, 2 tiếng đồng hồ sau khi nhận được lệnh của Kuropatkin.[7] Các lực lượng trinh sát quân Nhật đã không phát hiện được cuộc rút lui của quân Nga cho đến tận 8 giờ 30 sáng. Người Nga đã tổ chức rút lui dưới cơn mưa tầm tã và sương mù trước sự truy kích của quân Nhật. Đến đây kết thúc giai đoạn một của trận đánh. Hai quân đoàn 3 và 10 Siberia đã cho thấy tinh thần dũng cảm và sự chống trả ngoan cường tuy nhiên họ đã ở trong tình thế buộc phải rút lui.[8]

Ngày 29-30 tháng 8, quân Nga đã cố gắng đẩy lùi những cuộc đột kích của quân Nhật vào phòng tuyến phía nam Liêu Dương. Đến ngày 31 tháng 8, quân đoàn 1 Nhật Bản của tướng Koruki đã vượt con sông phía đông bắc thành phố.

Ngày 4 tháng 9, sau nhiều ngày phản công bất thành, Kuropatkin đã ra lệnh cho quân Nga rút khỏi Liêu Dương để về Phụng Thiên (Mukden) vào sáng sớm. Quân Nhật bắt đầu tiến vào thành phố. Trận đánh đến đây kết thúc sau 12 ngày giao tranh.