Прежде всего была построена Главная позиция, протянувшаяся на 14 верст, упиравшаяся флагами к реке Тайдзыхе. Она была очень основательно укреплена. На 1 линии было построено 8 фортов (из расчета по 2 роты), 8 редутов (на роту), промежутки были связаны окопами и 21 батареей на 208 полевых орудий. Перед укреплениями были установлены проволочные заграждения, засеки, фугасы, волчьи ямы. 2-я линия укреплений была создана на левом фланге русских позиций перед южной стеной города и включала в себя 2 форта, 4 редута, 5 люнетов и 3 батареи на 19 орудий; 3-я — за правым флангом у мостов через реку, которые она прикрывала: 2 форта, 2 люнета и 5 батарей на 36 орудий {1580} . Все долговременные укрепления были хорошо замаскированы и не представляли собой легкой мишени для противника, пространство перед ними было расчищено для удобства обстрела {1581} . После того, как выяснилась мощь японской артиллерии, на позициях дополнительные укрепления получили блиндажи, которые превратились в надежные убежища от снарядов противника. Кроме того, были построены и Передовые позиции, в основном представлявшие собой систему окопов. Их главной задачей было сдерживание возможного первого удара японцев и определение главного его направления {1582} . Это была мощная оборонительная система, и многие сомневались, что японцы «отважатся брать Ляоян» {1583} .

Но японский командующий, как последовательный сторонник германской школы, планировал осуществить глубокий обход русских позиций, окружить русскую армию и отсечь ее от единственной линии снабжения — железной дороги. Противник не собирался разбивать себе лоб об укрепления — он был воодушевлен идеей повторить Седан. С другой стороны, преимущества русской стороны резко обесценивались системой управления. На фронт русский командующий вывел 64 % своих сил(128 батальонов), на фланги — 5 %(10 батальонов), остальные решали другие задачи {1584} . Еще до начала сражения Куропаткин вывел в резерв 61 батальон, 30 сотен, 136 орудий и 8 пулеметов. Ближнюю охрану флангов позиции нес отряд Мищенко и XVII Армейский корпус, целых 8 отдельных отрядов обеспечивали дальнюю охрану флангов, кроме того, выделялись войска для гарнизона города, охраны дорог, этапных линий, летучей почты, была реализована чрезвычайно запутанная система общих и частных резервов, которыми могли распоряжаться командиры разных уровней. Все это крайне усложняло управление армией {1585} . Внезапно проявилось и уязвимое положение войск на плацдарме. С 4 по 5(17–18) августа начался разлив Тайдзыхе. Броды закрылись, 4 из построенных ранее 7 мостов было снесено паводком {1586} , в результате X Армейский корпус оказался отрезанным от основных сил. Вслед за этим наступила страшная жара — испарения привели к росту санитарных потерь {1587} .

12(25) августа Ойяма начал наступление, вслед за чем началось длительное сражение. Постоянно опасаясь возможного окружения, Куропаткин вновь проявил себя сторонником пассивной обороны, полностью уступив инициативу Ойяме. Это позволило японцам постоянно сосредотачивать превосходящие силы на направлениях своих атак. Бои под Ляояном носили исключительно упорный и кровопролитный характер. Русские войска стойко оборонялись, а японские храбро наступали, и те, и другие практически не считались с потерями. Наступавшие теряли больше, но не могли прорвать линию обороны. После атак подступы к русским окопам были заполнены трупами и ранеными {1588} . Это был день разочарований, как отметил один из британских наблюдателей при японской армии {1589} . Положение японской армии было весьма тяжелым, в ее штабе опасались возможного контрудара {1590} . К вечеру 17(30) августа стало ясно, что отступать русские войска не собираются, I Сибирский Армейский корпус отбил все атаки. Одновременно в штаб маршала Ойямы стала приходить информация о том, что Куропаткин начал готовить эвакуацию Ляояна. Позже выяснилось, что она оказалась необоснованной, но японское командование все же решилось начать глубокий обход русских позиций. Еще ранее 12-я дивизия была направлена на правый берег реки Тайдзыхе {1591} .

Она должна была выйти в тыл и фланг русских войск и обеспечить связь с армией Куроки, осуществлявшей опасный маневр глубокого обхода Ляояна. На Тайдзыхе находилилась только гвардейская дивизия и одна пехотная бригада. Обе понесли чрезвычайно высокие потери в предидущие дни {1592} . 12-я дивизия относительно мало пострадала в это время, и теперь на нее возлагали особые надежды в штабе Ойямы {1593} . Русские войска успешно оборонялись, однако они практически не имели резервов. Оборона подоходила к опасной точке напряжения {1594} . В ночь на 30 августа дивизия практически в виду русских патрулей (основные позиции находились в 7–8 км. от реки) перешла через Тайдзыхе. Куроки, фланг и тыл которого был в это время чрезвычайно уязвим, а транспорты армии — попросту открыты для возможного удара, получил надежное прикрытие {1595} . Дивизия успешно выполнила поставленную перед ней задачу {1596} . Для того, чтобы помочь своим войскам за рекой, японский главнокомандующий усилил давление на фронт.

Для того, чтобы не допустить снятия русских войск с передовых позиций, Ойяма создал мощный артиллерийский кулак против фронта I и III Сибирских Армейских корпусов — 234 полевых и горных и 72 тяжелых орудия против 82 полевых русских. Утром 18(31) августа началась артиллерийская подготовка. Японские артиллеристы мастерски концентрировали огонь своих орудий, подготавливая наступление пехоты. Она по-прежнему шла вперед, не считаясь с потерями. Хуже дело обстояло со связью между атакующими и артиллеристами — японцы часто попадали под огонь собственной артиллерии. За два дня потери двух русских корпусов составили 6239 чел., японцев — 11 899 чел. {1597} . Храбро и настойчиво наступавший противник был отражен, но растянутость линии фронта и отсутствие резервов сделали свое дело {1598} . Уже в ходе боя 18(31) августа Куропаткин принимает решение отступить с передовых позиций на главные с целью сокращения фронта — с 24 до 14 верст. Войска отошли в ночь на 19 августа(1 сентября). Утомленные боями японцы не преследовали {1599} . Отступление было проведено в образцовом порядке, несмотря на близость противника {1600} . По первичной диспозиции этот маневр должен был стать демонстративным, Куропаткин надеялся навести атаковавших на свои основные укрепления {1601} .

Войска были очень недовольны очередным отходом, но их немного успокаивало то, что главные позиции неприступны. Тем временем жители русского квартала Ляояна начали покидать город {1602} . Это было правильное решение — на глазах у людей с 17(30) августа начали вывозить на север госпитали и часть железнодорожного имущества {1603} . 19 августа(1 сентября) в 13.30 японцы начали обстрел города. Под прицелом оказался район станции и китайский квартал {1604} . Поначалу в обстреле участвовали гаубичные и полевые батареи, но вскоре у японцев появились и одно орудие осадного типа. Один из снарядов попал в патронный склад и взывал пожар и разрывы боеприпасов. Для того, чтобы войска на позициях не приняли бы их за интенсивный винтовочный огонь у себя в тылу, пришлось известить об этом успехе противника по телефону {1605} .

В тот же день русский командующий отметил в своем дневнике: «Войска дрались геройски. Все до одного штурма были отбиты с огромными для японцев потерями. Массы их трупов покрывали подступы к нашим позициям. Волчьи ямы были завалены трупами доверху. Нам досталось много оружия. Наши воспользовались обувью японцев. Доходило до штыкового удара. 17-го атака велась главным образом на 3 корпус Иванова, а 18-го на 1 корпус Штакельберга. Наши потери за эти два дня свыше 7 000 чел. убитых и раненых. Настроение войск приподнятое. Все же в наступление нельзя было перейти, ибо армия Куроки начала переправляться на правый берег Тайдцыхе у Сыквантуня, в переходе от Ляояна. Силы 17 корпуса слишком незначительны, чтобы удержать эту армию. Нельзя было допустить тактический обход» {1606} .

В штабе русской армии появились слухи о том, что из-за громадных потерь японцы готовятся отойти к Хайчену {1607} . Это произошло именно тогда, когда Куропаткину показалось, что наступил решающий момент для реализации его планов решающего контрнаступления. Именно 1 сентября, т. е. в годовщину Седана, в глубокий тыл Ляоянских позиций вышла 1-я армия генерала Куроки — 24 000 чел. при 60 орудиях. Этот обход оказался совершенно неожиданным для русского командования {1608} . Так как с 19 августа(1 сентября) Ляоян уже находился под обстрелом артиллерии противника, усиленными темпами шла эвакуация станции. Солдаты железнодорожных батальонов под огнем противника выкатили на руках из тупиков 2 вагона с пироксилином и порохом(1500 пудов), и отвели их на северные стрелки станции. Обошлось без потерь {1609} .