在日本陆军参谋本部下令后，日军前线军官根据事先预定好的计划发起春季决战，日军通过坦克在内的重型作战设备和悍不畏死的战壕突击很快突破了国军的多处防线，从国军阵线上撕出一道道口子。辽宁军区总司令薛岳和参谋长叶沧白很快捕捉到日军的战略企图，在薛岳的命令下，国军没有选择死守阵线，坐等被日军穿插歼灭，而是借助地形进行层层阻击有序后撤。
日军发现自己果真突破阵线，取得预想之中的战果，便继续向北推进，一度攻占鞍山，离沈阳只剩下不到100公里。但此时日军由于过度投入兵力，在突破战中消耗了大量补给和精力，补给线的迅速拉长同样导致日军补给的困难。
满.洲方面军总司令畑俊六认为日军继续进行进攻已经非常困难，现在所要做的无非是巩固防线。但如果仅在鞍山停下，国军很快就会充分回援，到时候想要突破可就难了。那样的话，日军想要取得的战略效果就压根没有实现，辽宁战场依旧要保持长久的消耗战，相反战线还因为日军的突破而被拉大了。
朝香宫鸠彦王等多位前线将领也与陆军参谋本部越级通电，表示日军之勇武远胜国军，只要按照先前大规模决战的路子走下去，一路杀入沈阳不是问题。
最终陆军参谋本部很快下达了要求满.州方面军立刻继续发起大规模决战的命令，畑俊六不得不从命，发起全面进攻。但此回等待着日军已经不是国军的有序后撤，而是全面反击。
国军以攻对攻，趁着日军尚未立足脚对日军发起日夜不停的拉锯战，利用日军深入鞍山暴露出的突出部和国军兵力上的显著优势进行几面攻击的半围攻战。
日军在国军的几面进攻下，被打的阵脚大乱，不仅挺进沈阳的攻势被挫败，其本身的防线也被打的四处镂空，最终不得不在付出巨大伤亡的前提下撤出鞍山，国军获得鞍山之战的全面胜利。
借着日军一路败退的时机，国军一路前进收复失地，成功在5月初立夏时节收复了所有日军在春季攻势中占据的大部分领土，此战日军伤亡10万人以上，国军伤亡13万人以上，日军大费周章之后徒劳无功，连前线的士气都有所下跌。