日本軍は東西方向に大きく翼を広げたような格好で陣地を構築していたが、場所によっては厚さにムラがあった。日本軍は西側より順に秋山支隊、第2軍、第4軍、第1軍といった布陣で展開していた。このうち第2、第4軍は中央を担当している関係上、最も厚く布陣されていた。それに次ぐのが第1軍で、東側の山岳地帯に布陣していたが、ある程度厚く布陣されていた。一方、秋山支隊はこれらに比べ陣が薄く、防御も弱かった。

秋山支隊は秋山好古少将率いる騎兵支隊で、騎兵第1旅団を中心とした歩騎砲の3兵種を備えた複合型騎兵集団で、奥保鞏大将率いる第2軍に属し、日本軍最左翼を守備していた。しかしこの部隊は40km余りの戦線に対し、わずか8,000人程度の人員しか配置されていなかった。

秋山支隊のような兵力で40kmという広範囲を守ることは不可能であった。このため秋山少将は、拠点防御方式という騎兵としては相容れない考えの戦術を採用した。騎兵という兵種はその特徴である機動力で敵の弱点に対し打撃を与えるものである。一方、秋山少将の考え出した拠点防御方式は拠点に塹壕を掘り穴ぐらに馬ごと潜ってしまい、そこから機関銃などの兵器で攻撃するものであった。この戦術は騎兵の機動力が生かされない一方、不利でありながら防御体制を何とか構築することに成功し、黒溝台会戦の窮地を救うことになる。

秋山支隊は防御拠点に4大拠点を置いており、西部側より黒溝台に種田支隊、沈旦堡に豊辺支隊、韓山屯に三岳支隊、李大人屯に秋山支隊主力であった。しかし、秋山少将は自分の司令部を奥第二軍との連絡のために支隊の一番右側に置き、戦力としても各師団に配属されている連絡用騎兵をわずかに率いていた。元来自分の率いていた騎兵第1旅団は自分の手元に置かず、ロシア軍が突破する進路になると考えられた沈且堡に主力を置き、豊辺大佐に指揮を執らせていた。
満洲軍総司令部の情報黙殺

ミシチェンコ支隊の威力偵察行動は兵力が大きく、行動範囲も大きかったため、当然日本側も騎兵で察知していた。偵察を察知した秋山少将は、「敵の前哨活動が活発である。何か大作戦の予兆あり」と満洲軍総司令部に対して幾度となく警報を送り続けた。しかし、警報はことごとく黙殺され、無視された。また、先に述べたロシア軍のシベリア鉄道による補給活動が非常に活発であったため、日英同盟を結んでいたイギリス軍情報部によって列車の運送状況などの細かな情報もふんだんに満洲総司令部に届いていたが、その情報も結局無視されてしまった。

黙殺の理由は「この冬季にロシア軍が大作戦を起こすはずがない」といったものである。満洲軍総司令部の参謀達は、ロシア軍の習性は敵を撃退し、前進した後に必ず踏みとどまって陣地の構築をするものだと考えていた。そして、この時期の満洲は非常に寒く、大地も硬く凍結しており、ツルハシで陣地の構築を行おうにも一日にわずか7cmしか掘れないほどであり、よって陣地の構築をすることが困難なこの季節には、ロシア軍は攻勢を発起するはずがないと考えていたのである。

しかし、ナポレオン・ボナパルトのロシア遠征を見てもわかるように、ロシア軍では冬将軍を気候の利として利用し、寒気を利用できる時期に攻勢を行うことを基本戦術として用いることが多い。だが、そのような定石戦法が考慮されることはなかった。さまざまな情報がすべて、ロシア軍の大作戦を予兆するものであったにもかかわらず、満洲軍総司令部はこれらの情報に目を向けなかった。このような状況下にロシア軍の大攻勢が実施された。この戦略的な失敗はのちのちまで大きく響き、日本軍の左翼は全線に渡って、攻撃を受け続けることになった。
応戦

グリッペンベルク大将は総勢10万人の大兵力を率いて攻勢を開始したが、満洲軍総司令部はこの時点でもまだ威力偵察程度に考えていた。1月22日鳥邦牛にて、騎兵第2旅団の将校斥候がロシア騎兵に遭遇し、ほぼ全滅に近い状況が起こってもなお威力偵察と考え、一応手当てとして立見尚文中将率いる第8師団を応援に送る程度であった。第8師団は、師団外の兵力として後備歩兵旅団を付属しており、兵力的には2万人程度のものであるが、威力偵察と看做していた総司令部は、この戦力で対応できると思い込んでいたと考えられる。

しかしながら、当時乃木希典大将率いる第3軍はまだ旅順からの到着待ちであり、満洲の日本軍全体で戦力が枯渇しており、予備軍がこの第8師団しかないという状況であったため、このほかにできることはなかったとも言える。立見は1月24日総司令部より準備命令を受け、翌1月25日正午に「黒溝台を救え」という命令を受け取った。このころ、黒溝台にはロシア軍が数多くの兵力を押し込んでいた。秋山支隊の拠点はどこもロシア軍の銃砲火を使った攻撃を受けていた。

秋山少将ははじめロシア軍の重圧が韓山台あたりに大きくかかってきたため、三岳支隊がいる辺りがロシア軍の攻撃目標と見誤り、隣の沈旦堡の豊辺新作大佐に対し、三岳支隊に応援を出すように指令した。このため豊辺大佐は三岳支隊応援のため部隊を編成し、小池順中佐に指揮させ、応援に向かわせることにした。しかし、25日夜ごろから沈旦堡付近のほうが戦況として激烈になり、豊辺大佐は後方にいた後備歩兵第31連隊の小原文平中佐に支援を請い、小原中佐は豊辺大佐支援のため2個中隊を派遣した。

このころ第8師団は戦線のはるか後方より零下30度近い寒気の中を前線へと駆けつけ、26日夜に大台まで駆けつけた。ここで、第8師団の由比光衛参謀長は救援すべき猛烈な攻撃を受け続けている黒溝台の陣地を一旦捨て、後で奪い返すように考案し、秋山支隊の指揮下の部隊であったにも拘らず、総司令部の命令として種田支隊を退却させた。しかし、ロシア軍は奪った黒溝台陣地を再構築し拠点陣地として活用し始めた。このため第8師団は黒溝台奪還のために展開をはじめたが、それが終わる間もなくロシア軍が総力を挙げて襲い掛かってきた。結果、第8師団は秋山支隊を救援するどころか窮地に陥ることになった。
増援投入

日本軍の満洲軍総司令部は、手持ちの兵力（予備軍）が限られており、情勢の把握ができていなかったことから、兵力の逐次投入という戦術上最悪の行動を行なった。救援に送った第8師団がたちまち窮地に陥ると、満洲軍総司令部はかなり狼狽した。

日本軍は非常に悪い状態にあったが、救援を送りたくとも総予備軍を使い果たしており、やむなく中央部を守備している第二軍より木越安綱中将率いる第5師団を26日の夜に派遣することに決定。さらに、27日には日本軍最右翼を守備している第一軍から西島助義中将率いる第2師団の一部、28日には第二軍より大島義昌中将率いる第3師団が追加で派遣された。

派遣された兵力は4個師団と後備歩兵旅団が1個、砲兵連隊が2個連隊の大規模なものになった。このため、満洲軍総司令部は、第8師団長・立見中将の統一指揮の下に「臨時立見軍」として行動させようとしたが、とうの第8師団は軍としての準備がなされておらず連携できず、立見自身も第8師団の動員が遅いうえ敵情に暗く、更に立見は自分より先任である第3師団長の大島義昌中将を指揮できないため、「臨時立見軍」は実現しなかった。

この応援軍は28日朝から、秋山支隊の各拠点に入り、秋山支隊に重圧を与え続けるロシア軍を撃退しだした。28日夜、第8師団はロシア軍に師団をあげて夜襲を行うが占領はならなかった。しかし露軍はこの頃よりクロパトキンの指令により撤退を開始、29日朝第８師団は黒溝台を再度占領した。逸話に寄れば第8師団に秋山支隊から送られた稲山利通海兵中佐と元々黒溝台に駐屯していた種田支隊によって協同奇襲したという。
結果・その後

兵力的にはロシア軍は負けるべくして負けたわけではない。