25日，俄军主力猛攻镇江堡，守军虽顽强抵抗，但俄军攻势甚猛，很快清军损失过半，镇江堡朝不保夕。
李鸿章同依克唐阿商议未果，于是只得从天津调北洋陆军第三镇和第四镇增援。因战争关系，此时的北洋八镇陆军已经提前完成了相关的训练。但远水解不了近渴，北洋陆军第三镇和第四镇开至山海关时，镇江堡已于26日夜失守。聂士成恐遭到俄军反包围，不得不放弃鸭绿江防线，率部退守凤凰城。
27日，俄军滨海区第二师度过鸭绿江占领中江，同阿穆尔独立旅回师，鸭绿江防线即告失守。
29日，俄军在凤凰城下同清军展开主力决战。聂士成所部还按照对付日军的方式迎战俄军，但俄军的战斗力远超过同时期的日军，在人数、火力和战斗经验方面更不是落后的清军可比的，其战力之强悍更不是聂士成所部光靠勇气就可以挡得住的。
但聂士成所部在没有援军的情况下，依然咬牙坚守凤凰城两天后，因部队伤亡惨重，不得不于9月1日放弃凤凰城，退守辽阳。俄军旋即占领凤凰城，清军凤凰城战役即告失败。
随后，俄军继续向辽阳进军，盛京将军依克唐阿和聂士成组织37个营，共计四万余人，准备发起辽阳会战，阻挡俄军前进步伐。
清军在辽东地区接连作战失利，使得之前北洋陆军在黑龙江地区获得的胜利迅速被冲淡，取而代之的又是朝廷上下一片惶恐。
俄国没有任何谈判诚意，炮击大沽口，出兵进攻辽东，威胁盛京等一系列军事行动立即触碰了清政府的底线。
盛京作为清帝国的陪都，作为皇室的根基，清廷不允许有任何差。而俄国人屡次借助谈判为掩护，暗地里采取军事行动终于让清政府清醒了，只有打赢战争才能逼迫俄国人老实的坐到谈判桌上。
9月2日，清帝国两个最高权利象征终于在主战方面达成妥协，慈禧为求保住满清龙兴之地，支持主战派。而俄军攻击辽东，威胁到了李鸿章在那里经营的北洋事业，使得李鸿章对于主战的态度也越发强硬。
当天下午，光绪帝下旨总理衙门和礼部，起草对俄宣战谍文。同时照会俄国公使库曼，对俄国发出最后通牒，要求俄军立即撤出辽东，否则就将正式宣战。
库曼不曾想清帝国会有这么大的反应，他意识到盛京远比黑龙江更刺ji清帝国高层的神经。库曼表示愿意立即停战谈判，他不希望清俄正式宣战。然而，库曼致电俄国远东司令库尔伯特金大将，要求俄军停止军事行动却遭到拒绝。理由是，肯德拉切夫少将放下豪言，一个月内攻陷盛京，三个月内占领东北全境，前线俄军正取得了大胜，贸然停下来恐伤士气，同时俄国从中亚调来的五万援军业已抵达远东，即将投入战斗。在这种情况下，库尔伯特金大将认为没有必要在跟清帝国遮遮掩掩了。
公元1896年9月3日，光绪22年八月一日，俄国公使馆对清帝国最后通牒没有回应，于是光绪当即下旨对俄宣战，是为八一宣战。。