俄军撤至第2道阵地后，仍保持原来的部署，大部兵力作为预备队，在一线展开的兵力不过也不过百分之四十，打法也仍然是等待日军进攻。
日军的兵力部署也大体如前，企图也仍然是围歼俄军。但接受前一段作战的教训——各路部队攻击时间不统一，使俄军可以自由机动其预备队，于8月30日以3个军的全部兵力同时发起进攻。
俄军以机枪、火炮和刺刀顶住各路日军的进攻。双方激战1整天，日军被迫后撤。日军正面进攻受阻，乃于30日夜间，派第1军部分兵力约为1.8万人偷渡太子河到达右岸，31日晨迂回俄军左翼5万余人，与此同时加强对俄军右翼的进攻。
1904年9月1日整天，俄军准备反击日第1军，为此在左翼集结了3个军，企图以迂回动作将日第1军压迫到太子河歼灭之。反击定于1904年9月2日开始。
但在1904年9月1日夜间日军进攻俄军左翼集团，占领了该方向一系列重要的战术要点，其中包括时官屯及其北面的小高地馒头山。在这种情况下，库罗帕特金决定在实施全面反击之前，首先夺回馒头山。
为此分别从各个师抽出7个步兵团，154门炮。但这支临时拼凑的部队缺乏强有力的统一指挥，战斗的重担实际上落在伊斯托明指挥的1个团头上，该团下辖7个营，其中3个营是从其他团抽调的。
伊斯托明不顾当时的条令和习惯作法，将7个营中的5个营编入战斗队，预备队只留2个营。这位将领与前面的马尔丁诺夫将军一样在战争中展现出自身的才华。
战斗于9月2日19时打响，一直在黑暗中进行，双方激烈争夺。俄军一度收复馒头山，但在日军反击下，陷于一片混乱，仓皇溃逃。
时官屯到馒头山战斗的失利，使库罗帕特金有了放弃反击计划的借口。
这位平庸的将军不了解当时日军已投入全部兵力，并且遭到重大损失。鉴于第1军单独与俄军强大集团相对垒，处境不利，日方决定1904年9月3日晨将第1军撤回太子河右岸。
可就在日军行动之前2小时，库罗帕特金命令俄军放弃辽阳，退守奉天只因为在辽阳会战中俄国白白损失2.7万人。到会战结束时，俄军大部分预备队始终未投入战斗。
1904年9月3日俄军向奉天撤退时，日军无力组织追击，直到1904年9月4日才小心翼翼地进入辽阳。此役，日军损失约1.4万人。
这本应该是原历史的结局，但这次有所不同，在战争中俄罗斯先进的机枪派上大用场。日俄战争的双方，军队装配的机枪大多数与欧洲国家不同，欧洲国家因为马克沁机枪的早早问世。
起码在列强中，已经大部分换装为马克沁机枪，而俄罗斯和日本则因为各自军费或不在意等原因，大多为古早的加特林机枪，极少有马克沁机枪。
在这次的防守战中，马克沁机枪大放异彩，俄罗斯投入二十挺马克沁机枪。遵循着武士道的日本人撞的头破血流，历史在9月1日夜间改变。有着马克沁机枪防守的馒头山，日军没有拿下。
导致后续伊斯托明的支援，让馒头山的防御强度更上一层楼。馒头山的胜利，让这位平庸且胆小的将军没有放弃沈阳。
日军没有在4日白白拿下沈阳，双方的战损也发生变化，俄军损失三万人，比历史多上三千人，但日本在此次战役中损失人数剧增，达到两万人之多。
得知这一消息的维托里奥，都不顾开始的第三阶段攻势，开始将目光转移到远东战场。在历史发生改变开始，就连维托里奥也不知道历史这艘巨轮会驶向哪个方向。