9月1日，在辽阳对峙的日俄两军除了相互炮击都没有动作。在随俄军观战的英美武官眼里双方都错失了战机，他们认为如果日军尾随追击的话，俄军肯定将放弃辽阳，撤往奉天；而俄军主力集结在太子河北岸和辽阳西面地区，本可以从侧面迂回包抄，歼灭日军主力。不过两边的首脑部都没有考虑上述可能性。
当天日军满州军总司令部从海城移往沙河，在汤岗子过夜。出发前陆续接到了占领首山堡、新立屯俄军阵地的报告，大山岩一行的心情犹如秋空般明朗。
日军总司令部之前一直无法确认俄军的主防线在何处，原本认为鞍山站至汤河沿是前进阵地、首山堡至新立屯是警戒阵地、辽阳面前为主阵地，但前一天俄军出乎意料的顽强抵抗，似乎显示首山堡至新立屯一线才是主防线，而且已经被突破。大山、松川和参谋们都判断辽阳作战的最艰难阶段已经渡过，俄军可能会放弃辽阳，不会再发生和前一天一样的激战，各军可自行发起追击。、
第一线部队也认为取得了胜利，夜里已判明面前的敌人正在后退，天亮后更是看到多列火车从辽阳向北驶去，太子河的桥面上挤满了辎重车辆，通向奉天的道路上布满了撤离的队列。
辽阳前面的堡垒阵地虽然还在回应日军的炮击，但是俄军放弃辽阳的总撤退姿态已显露无疑。第二军和第四军都将追击的任务下达到各师团，首先实施炮击干扰俄军撤退，并藉此让部队休养和整顿。
炮击从一早开始，集中射击辽阳市内和火车站，车站附近的俄满州军司令部、仓库、弹药库相继被击中，燃起了大火。站台被炸裂，等待撤离的伤兵和难民陷入混乱之中，一些清国苦力乘机抢夺行李，而另有一些哥萨克骑兵则趁乱扑向了香槟酒箱……。
而库罗帕特金对战况感到满意，虽然放弃了首山堡至新立屯阵地，但这属于主动后撤，并非是被“日军击退”，而且抵抗似乎很有成效，据清国细作报告，日军在8月31日当天损失了15000人并有向海城撤退的意向。另有情报显示日军曾计划从西面进攻辽阳，企图东西两翼夹击辽阳，由于损失巨大只能眼睁睁地看着俄军撤退。
库罗帕特金指示萨哈罗夫，准备实施歼灭第一军的作战构想，这个构想就是后来的“第四号作战命令”，计划是：动用第10军、17军、西伯利亚第1军、3军、5军，总共约步兵66000人、骑兵5000人、火炮310门，其中西伯利亚第3军为预备队，部队展开于太子河岸的时官屯至烟台煤矿一线，第17军以时官屯为中心，主力向右侧包抄第一军并歼灭之。
俄军西伯利亚第2军、4军及第1军防卫辽阳，虽然有情报称日军第1军一部正在向烟台煤矿、奉天方向推进，但库罗帕特金认为日军已疲惫，无力阻止俄军在太子河北岸的布阵，作战计划确定为9月1、2日休整，3日进攻。命令下达时间定于1日夜半。
日军对辽阳的持续炮击已经延伸至了电话通信所所在的大林子村，村庄燃起大火，通讯设备开始撤离，辽阳城西北部也发生了火灾。在获悉各部正在顺利转移的报告后，库罗帕特金指示将司令部移往太子河铁桥边上的中转站。
与此同时，东面的日军第1军开始进攻库罗帕特金反击计划的“轴点”——时官屯。黒木为帧在前一天晚上十一点半就已命令第2师团夺取时官屯东北的馒头山（140高地）。
战场是以太子河北湾部的时官屯为中心的西南沿河至东北方烟台煤矿的高地线，黒木很清楚这条高地线的重要性，因为俄军可以利用这条高地线将日军赶过太子河，而第一军如果想要切断俄军的退路，也需要占领这一线的高地，然后向西面平原地带进攻，那样俄军将无险可守。
这一线高地的“心脏”便是位于馒头山至宝净山（279高地）的高地群。所以黒木为帧选择了馒头山作为突破点。第2师团长西宽二郎将攻击任务给了第15旅团，旅团长冈崎生三少将则将第16联队、33联队分置左右，于上午十一点出击。
日军方面的随军观战的英国武官汉密尔顿想起9月1日当天是1870年普法战争中普鲁士军队夺取色当战役胜利的纪念日，他在给国内的报告中称：“黒木为帧希望能取得一场与34年前欧洲那场战役齐名的胜利。”
日军第2师团的面前是俄第17军左翼的第35师的两个旅和炮兵第35旅，部署于沙浒屯、馒头山、时官屯、宝净山一线，其中第1旅的第137、138团和炮兵第2中队布防于馒头山，由第137团团长伊斯特明上校统一指挥。
日军第15旅团准备以第30连队的第1、2大队和第16联队的第1大队、3大队并列出击的队形攻击前进。炮兵第2连队从下午一点开始实施支援炮击，不过由于炮弹不足，射击很稀疏零乱，到两点半左右便停顿了。
下午三点三十分，日军攻击部队逼近馒头山的散兵壕，但未能取得突破。
四点五十分，冈崎接到第30联队联队长马场命英大佐的报告，称在沙浒屯以北发现俄军20多门重炮，建议暂停进攻。冈崎经请示后指示：第30连队继续进攻馒头山，第16联队向时官屯村发起进攻。
防守时官屯村的第1旅10团在日军的紧逼下后撤了，但第16连队并未发觉，仍在村庄外的道路边待机，而馒头山上的守军却注意到了这个状况，开始向日军射击。
五点三十五分，俄军第137团4营趁日落之机撤退了，馒头山后方的俄炮兵部队也开始后撤。伊斯特明乘日军炮击停顿之际来到了沙浒屯的第35师师部，询问下一步指示，师长托布尔金斯基也犹豫不定。随着日军夜袭的开始，馒头山方向枪声大作，伊斯特明连忙返回。
八点三十分，日军第30联队占领了馒头山东麓的小山丘。
九点三十分，第2大队第7中队向山顶突击，行动很艰难。
九点四十五分，日军第1军司令部渡过太子河抵达江官屯。
十点三十分，第7中队冲上山顶，第5中队、第6中队紧随其后。第2大队长儿玉市藏少佐在确定占领山顶后，命令第7中队向反斜面出击。
后撤的俄军第137团以铁丝网为掩护进行阻击，击退了日军第7中队，并尾随追击，同时俄军第139团2营、沙浒屯方向派来的预备队三个连也加入了反击。馒头山顶上日军第2大队拼死抵抗来自三个方向的攻击，伤亡极大。但俄军在日军的猛烈抵抗下开始退却。
9月2日零点三十分，第16连队终于发现当面之敌已撤，随即占领了时官屯村，并向馒头山进发，但由于天黑行动很迟缓。反击馒头山的俄军陆续后撤，沙浒屯一时挤满了退下来的士兵，周围的高地传来的枪声令师长托布尔金斯基感到不安，馒头山、时官屯方向战况一时不明，在确认了东北方向的第140团阵地尚健在后，托布尔金斯基决定后撤。二十分钟后，第35师各部开始撤退，很快馒头山周边的俄军便全部撤完。
当天的下午两点，日军第16联队登上馒头山，两点三十分，库罗帕特金命令下发“第四号作战命令”，准备反击第一军。但他却没料到作为反击轴点的馒头山、时官屯已经丢失，因为第一线没有向他做任何汇报。
早上六点，库罗帕特金前往张书屯。馒头山失守的消息终于在一个多小时前由托布尔金斯基通过比尔丹林报到了司令部。上午八点十分，库罗帕特金在南方和东方的枪炮声中坐立不安，第17军可能已与日军交上了火，但没有任何第一线的汇报，而且当天并不是计划中的进攻日。
库罗帕特金在张书屯南方的124高地设立了战地指挥部，而有关馒头山的详细报告仍未传来。十点四十分，比尔丹林的电报到达，称上午七点收到第四号令，另外馒头山遭到夜袭，俄军击退日军并恢复了阵地。
第17军参谋长契赞卡岑的电报和比尔丹林的第二封电报同时到达，契赞卡岑称馒头山和时官屯均已失守，部队已后撤至沙浒屯和宝净山，比尔丹林称正准备夺回时官屯。
库罗帕特金对前后三封电报心存疑惑，命参谋阿金措夫上尉到张书屯东面的杨家屯进行侦察，得到的回复是：“馒头山只有少量哨兵，未见强力部队。”实际上日军第16联队、第30联队的主力都隐蔽在另一侧斜面，只在山顶安排了一些哨兵警戒。
库罗帕特金并不急于夺回馒头山，他的注意力放在了枪声不断的北面，烟台煤矿附近驻有西伯利亚骑兵师，其右翼是哥萨克骑兵旅及西伯利亚第5军第54师，其中第54师突出在南部，很可能正在与日军交火。
库罗帕特金因此下了三道命令：第17军寻机夺回140高地并与第54师取得联络，抵抗日军的攻击、第54师避免独立作战，注意与友军协调、西伯利亚第1军进至第17军与第54师之间，保持与第54师的联络并协助第17军展开攻击。命令的目的是让各部按计划在展开线（时官屯至烟台煤矿）继续调整，这个计划战后受到了批判，因为确保展开线的前提条件——南端的轴点——已经丧失。
战后德国参谋部编写的《辽阳战役》中指出第54师和西伯利亚第1军的行动过于“慎重”，在日军已经前出的情况下依旧按照从展开线发动攻击的思路，明显丧失了战机。许多评论都认为库罗帕特金作战指导思想陈旧、不知应变。但是对照当时俄军通讯不畅的现状，他的指示也许是比较恰当的。
第54师师长奥尔罗夫少将在凌晨两点便与第17军军部及第35师失去了联络，在这种状况下，奥尔罗夫仍率部向沙浒屯前进。.