得知以上情况后，第17军参谋长契赞卡岑少将认为日军的行动是掩护首山攻击的佯动；比尔丹林则将情况报告给了库罗帕特金，希望派部队增援。总之，两人都不打算主动进攻日军第1军。
当天的上午十点半，日军第1军第一军右翼近卫后备旅团占领了本溪湖；第23旅团占据了皇姑坟东南高地，第46联队第2大队开始在江官屯架桥；辽阳的俄满州军司令部收到了第17军关于日军进入太子河北岸的报告，库罗帕特金指示正式下达撤退命令并定于黄昏后执行。
日军加强了针对首山地区的炮击，西伯利亚第1军司令部遭受严重破坏，军长施塔格里堡受伤，被部下送下了山。
中午的十二点三十分，西伯利亚第1军司令部收到了撤退命令，施塔格里堡认为可以支撑到日落，而此时西伯利亚第1军左翼特别是北大山方向发生了激烈的战斗。
第3师团为打开不利局面，发起了全力进攻。第34联队由于伤亡惨重，士气低落，只能担任掩护。师团的攻击目标是北大山，从右至左依次为第18联队、第6联队、第5师团第21联队、第33联队，队伍密集在不宽的战斗正面上。
第18联队的目标是北大山东南麓的堡垒。第2大队长前田喜熊少佐在出发前训示部下要“前仆后继”，队伍冒着前面和侧面的射击向第一线战壕前进，前田负伤，队伍伤亡不断，第8中队长秋山助六郎大尉挥舞军刀率队夺取了战壕后战死。但占领战壕后第1大队却无法再向上攻击。
第6联队依然要面对铁丝网的阻拦，在前面和西方高地的交叉火力下，队伍出现了混乱。
第21连队抵近至敌前约400米处，第1大队在铁丝网中打开缺口进至高地下的死角，却无法继续行动了。
第6联队第3大队长高岛友武少佐命令吹响突击号，突然响起的突击号使得战场上的紧张气氛出现了微妙的变化，第3、第2大队从第1大队右侧发起了猛攻，前面的俄军出现了动摇，第1大队第2中队乘此机会也发起了突击，市川纪元少尉率领15人的突击队一举攻入了堡垒。
周围的第2大队、第3大队以及第18第6联队、第21联队第6联队的攻击队员全部拥了进来，人员将近有四五百人，由于没有统一指挥，队伍显得很混乱。80米外俄军第二堡垒的射击、新立屯东北高地的炮击集中到日军占领的堡垒上。之后高岛进入堡垒接过了指挥权，但也只能维持而无法进一步发展。
第33联队的目标是向阳寺西方高地，然而抵达高地下面时军官已损失了一半，士兵损失了三分之一，只能就地构筑掩体防守。第3师团的进攻仅仅占领了北大山东南麓的一角便停顿了下来。
西伯利亚第9师出现了危急的情况，整个上午，各阵地都能保全，但中午过后，不少阵地被突入，人员损失也渐渐增加。守备北大山的第1旅向师部报告情况正在恶化，师长康德拉托维奇向军部请求增援，但施塔格里堡手中只有1个半营的预备兵力，拒绝派兵。
下午两点，占据北大山东南麓的日军没有进一步行动，康德拉托维奇认为日军已经被击退了。日军奥巩保利认为必须有所行动以打开局面，第4军第10师团目前只能保住战线，无法推进；第2军自身的攻击受挫；第1军正在按计划渡过太子河威胁俄军左翼。
照此下去，第1军将形成孤军深入的局面，很有可能被包围或被击退。要想改善这个局面，第二军必须采取进攻。下定决心后，奥巩保利给各师团发去指示：“我军必须倾尽全力展开攻击，协助友军打开局面！”
各师团收到指示是在两个小时之后，这期间，大岛已经下令第33联队展开攻击，又命令第18联队向西北方向进攻以策应第21联队和第33联队的行动，但各部反馈上来的报告极不乐观。
第21旅团长塚本于五点向师团长上田报告：第一线部队境况极严峻，如再没有炮兵对北大山压制，恐将全军覆没。
第33联队的联队长藤本于五点二十分向师团长大岛报告：向阳寺北方、西方两高地敌兵力众多，其前方坡面陡斜难攀，必须充分炮击后才有突破的可能。野炮第3连队长岛川文八郎大佐向大岛报告：弹药所剩不多，再不进攻将愈发不利。炮兵的状况显示无法展开新一轮进攻，大岛接到奥巩保利的指示后，长叹了一声。
几乎就在同一时间，西伯利亚第1军右翼，特别是首山地区遭到了猛烈炮击，施塔格里堡一方面严令部下坚守阵地，一方面为预防炮击后的日军突击将预备队投入了前沿阵地，同时又从辽阳紧急搬运了16车炮弹至前线。
到了晚上的六点三十分，俄军前沿阵地出现动摇的迹象，日军野炮第14联队第1大队第4中队的集中炮击似乎取得了意想不到的效果。西伯利亚第1军军部虽在射程外，但前沿传来的坏消息令施塔格里堡很焦急，并向库罗帕特金求援。
库罗帕特金感到很为难，他眼下最关心的是日军第1军的动向，有情报显示烟台炭坑南方6公里处已出现了日军。烟台炭坑位于辽阳奉天铁路支线的终点，出现的日军应是斥候，说明日军瞄准了烟台炭坑，很有可能是想要切断辽阳至奉天的铁路。
烟台炭坑附近的山地是良好的防御阵地，库罗帕特金决定紧急派兵前往设防，但接到联络的第17军不仅不派兵反而在请求增援，参谋长萨哈罗夫回复眼下能调动的兵力只有位于辽阳西侧杨家林子的萨姆索诺夫少将麾下的西伯利亚骑兵师，移动中的西伯利亚第5军54师要到明天以后才能抵达。因此库罗帕特金决定正式执行撤退命令。
晚上七点，萨姆索诺夫少将率领的西伯利亚骑兵师奉命向烟台炭坑移动。西伯利亚第1军则收到了执行撤退命令的指示。七点二十分，库罗帕特金直接命令斯鲁切夫斯基的第10军后撤。在库罗帕特金的“新战略”下，俄军准备迎击日本第1军。西伯利亚第2军、第3军分别移往辽阳前面和辽阳北部。
而同一时刻，日军也在考虑后撤，七点三十分，第21旅团长塚本联系了第5旅团长山口：“第21联队、第33联队都已无法达成目的，准备在天黑后撤回旧位置。”山口随后命令第6联队协助第18联队战斗，可择机撤向东上勾东方高地。第21联队如果撤退，两侧的第6联队、第33联队将变得危险，但是大岛命令第33连队坚守待机，同时指示第6联队、第18联队发起进攻。
八点二十分，日落，日军第21联队后撤了。第6联队、第33联队未动，但第18联队以为左侧的第6联队已撤，便也后撤了。面前的俄第9师向施塔格里堡报告日军被击退，建议反击。而此时撤退命令已定于九点执行，包括第9师在内的各部撤退顺序等准备工作都已确定。
一个小时前下起的小雨突然转成了大雷雨，在雷雨声中西伯利亚第1军开始后撤。
第6师团第45联队向西蚂蚁屯发起了攻击，进至铁路线后，由于天色太暗，部队只能停下。
首山附近的俄军按炮兵、步兵的顺序后撤，大雨和日军的射击使得动作很迟缓。伤兵大多集中在西蚂蚁屯、铁路沿线阵地和孤家堡子，其撤退也成了大问题。
西伯利亚第3军和第10军开始后撤。西伯利亚第3军虽然九点多才接到撤退令，但因为几乎没有战事，很快便撤往了辽阳市内。其右侧的第10军情况相同，在老木厂附近架桥渡过了太子河。
当天的十点三十分，西伯利亚第2军最后一个执行了撤退令，同样，没有战事的该军约一个小时后便撤到了辽阳前面的堡垒阵地。日本方面根本没有料到俄军会撤退，一时尚未发觉。奥巩保利为挽回白天的颓势，指示各师团采取夜袭行动。
日军第3师团命令各连队于半夜发动攻击。最先发觉俄军撤退的是第18联队，第18联队后撤后进行了调整，第3大队于零点向前面的堡垒前进，进入无人的阵地时，一时不敢相信。
9月1日凌晨一点，月出，首山地区的西伯利亚第1军基本撤完，施塔格里堡回到了辽阳，只是右侧后方尤家庄子的第7团失去了联系。
日军第45联队联队长太田荣次郎大佐准备利用月光向西蚂蚁屯发起攻击，并向左侧的第13连队第2大队请求支援，第2大队长佐木泽启少佐本来准备担任铁路沿线的第23联队的撤退掩护的，接到请求，佐木决定支援进攻任务。
一点四十分，第45联队占领了西蚂蚁屯。而此刻第3师团方面陆续发现俄军阵地一片“寂静”。第5师团第21联队根据斥候的探报占领了向阳寺西方的堡垒。
两点，第13连队第2大队担任起守卫西蚂蚁屯的任务，第45连队则从南面登上了首山，“板载”、“板载”、“板载”的声响彻夜空。尤家庄子的俄第7团也听到了日军的欢呼声，苦等撤退命令的莱吉科团长立即命令后撤。随着第7团的撤退，辽阳第三防线的俄军全部撤完。
9月1日的凌晨三点多，随着日军第33联队、第6联队相继攀上了北大山并插上了日章旗。至此，8月31日的辽阳激战结束了。虽然实际情况是“俄军撤退，日军占领阵地”，但形式上看仍是“日军击退了俄军”。
随俄军观战的英美武官一致认为辽阳和奉天都守不住了，因为俄军将领“应变能力不足”，不过他们认为俄国最后能取得胜利，因为有西伯利亚铁路补给线和众多的人口。
当夜，第二军司令部检讨了战事，巨大的损失令人黯然。
辽阳激战日军第一天损失了16815人，第二天三个军分别损失了1219人、1683人、2174人，总损失达到了21891人。这个数字和第一次旅顺总攻的损失大致相当，第2军损失尤其巨大，达到了17548人，占总损失的百分之六十五，而且还没有占领辽阳。
雨仍在下，日军满洲军司令部沉浸在淅淅沥沥的清秋冷雨中。.