Для облегчения положения на центральном участке фронта Ояма решил нанести удар по левому флангу русских позиций свежей армией Куроки, еще не участвовавшей в боях. Атаки начались ночью, без поддержки артиллерии и сразу переросли в яростные штыковые схватки. Хотя в нескольких местах японцам и удалось зацепиться за первую линию наших окопов, развить свой успех они так и не смогли. После подхода из резервов 16-й пехотной дивизии Виленского округа русские начали теснить японцев, несмотря на сильный артиллерийский огонь, вернув все потерянные за ночь позиции.
К полудню японцам удалось выяснить, что артиллерии в зоне наступления только что переброшенной из Кореи и сразу введенной в бой 12-й дивизии у русских мало, поэтому Куроки решил усилить нажим на этом участке, введя в дело и резервную бригаду. К вечеру на стыке обороны 16-й пехотной дивизии и 2-го Сибирского корпуса они смогли вклиниться на шесть километров, но дальше не прошли. Неся постоянные потери от фланговых контратак, 12-я и 23-я бригады начали окапываться. Однако вскоре им снова пришлось отступать из-за резко изменившейся обстановки на левом фланге обороны.
Когда Ояма уже решил, что ему стала ясна предельно простая, но сокрушительная тактика Штакельберга, основанная на подавляющем огневом превосходстве, жестко привязанном к железной дороге, русские ее поменяли. Сначала в пользу японцев сыграла погода. С утра 20 октября пошел дождь, что делало невозможной корректировку огня с аэростатов. Даже когда дождь кончился, над позициями держалась плотная мгла. Обстрел с русской стороны был чисто символическим, а атак вообще не последовало.
Японцы спокойно перегруппировали силы, пополнив последними резервами потрепанные за последние два дня Гвардейскую и 2-ю дивизии, и продолжали усиленно закапываться в землю. Из тылов подтягивались обозные части, из которых формировали две новые резервных бригады. По железной дороге на север начали спешно перебрасывать батальоны из состава гарнизонов Дальнего, Порт-Атура и Инкоу.
Утро 21 октября тоже было пасмурным, поэтому никого не удивило, что под Мукденом никаких активных действий не велось. Но скоро в штаб Оямы начали поступать тревожные известия из Синминтина. Сосредоточив крупные массы пехоты и артиллерии на этом направлении, 2-я Маньчжурская армия генерала Гриппенберга перешла в наступление и быстро преодолела слабую линию обороны. Введенная в прорыв 5-я дивизия начала отсекать остатки левого фланга японских войск, а ее вторая бригада под командованием генерал-майора Юденича окружила город со всем гарнизоном и армейскими складами. Одновременно кавалерия Самсонова двинулась на Сандепу, а пехотные штурмовые колонны, обходя с тыла японские укрепления, пошли на восток. Генерал Ноги не имел связи со своими левофланговыми дивизиями и практически не мог управлять боем. К вечеру казачьи разъезды были замечены уже на левом берегу Хуньхе.
Все атаки первой армии генерала Куроки сравнительно легко отражали русские передовые части. Разведка докладывала, что дополнительных резервов на восточный фланг Штакельберг не направлял, сосредотачивая основную часть войск на западе. Для усиления успешно наступающей на левом фланге 2-й русской Маньчжурской армии туда переброшены все резервы и часть корпусов 3-й армии генерала Бильденринга.
Даже после отправки к Ноги двух резервных бригад русские имели там подавляющее превосходство, особенно в артиллерии, и продолжали продвижение, все больше загибая японцам левый фланг. Избегая полного окружения своих армий, Ояма был вынужден снова начать отход, спешно отводя войска к станции Шахе.
Это был разгром. К 24 октября от армии Ноги остались лишь жалкие остатки. Резервная бригада и 1-я дивизия были разгромлены, от 7-й и 9-й осталось меньше половины. Очень большие потери были в гвардейской, 2-й и едва восстановленной после разгрома в Корее 12-й дивизиях первой армии Куроки. При отступлении потеряли большое количество транспорта и тяжелого вооружения. 2-я отдельная артиллерийская бригада генерал-майора Ногаты оказалась уничтожена полностью.
Находящийся при штабе Куроки английский наблюдатель сэр Гамильтон отмечал: «После сыпингайского и мукденского разгромов дух японской армии был совершенно сломлен. Даже несмотря на несколько улучшившуюся ситуацию со снабжением, воевать дальше было уже невозможно. От полного уничтожения японские войска на континенте спасла только медлительность русского командования и капитуляция Японии».
Несмотря на то что наши потери в обоих осенних наступлениях оказались невелики, развить успех не было никакой возможности. Недостаток путей снабжения в северной Маньчжурии приводил к тому, что три-пять дней активных боевых действий по последним методикам «съедали» все припасы по артиллерийской части и приводили к полному израсходованию угольного запаса железнодорожного ведомства.