Русские силы: Около 25 батальонов, включая 86-й Вильманстрандский, 87-й Нейшлотский и 88-й Петровский полки 22-й пехотной дивизии, 19-й и 20-й полки 5-й Восточно-Сибирской стрелковой дивизии, 36-й Восточно-Сибирский стрелковый полк, а также 11-й Сибирский Семипалатинский и 6-й Сибирский Енисейский полки. Поддержка осуществлялась артиллерией 22-й дивизии, казачьей батареей и двумя батареями IV Сибирского корпуса.
Японские силы: Бригада генерал-майора Ямады, состоявшая из 41-го полка 5-й дивизии, 20-го резервного двухбатальонного полка, 2 полевых и 3 горных батарей — всего 5 батальонов и 30 орудий.
Атака началась 3 октября в 15:00 с артиллерийской подготовки. По плану генералов Новикова и Путилова, 22-я пехотная дивизия должна была атаковать Новгородскую сопку фронтально в 18:00, бригада Путилова — Путиловскую сопку с запада, а 36-й полк — с востока для флангового удара. Однако из-за путаницы атака стартовала раньше, в 17:00. Русские войска продвигались в беспорядочных "массах", подвергаясь интенсивному огню, и неоднократно отступали. К 18:00 они достигли японских траншей, где завязался рукопашный бой. 36-й полк, несмотря на значительные потери от предыдущих сражений, неожиданно атаковал с юга, захватил три линии траншей и отразил четыре контратаки японцев, но позже отступил из-за дружественного огня и дезорганизации. Бригада Путилова успешно захватила Путиловскую сопку и японскую артиллерию. К ночи генерал Ямада отдал приказ об отступлении. К 4:00 4 октября русские силы, ведомые охотничьей командой 87-го полка и 7-й ротой, полностью овладели обеими сопками.
В ходе боя японская бригада генерала Ямады была практически полностью уничтожена, а русские захватили 14 орудий (9 полевых и 5 горных) и один пулемет.
Русские потери составили около 3000 человек убитыми и ранеными. Японские потери были значительно выше, поскольку бригада Ямады была почти истреблена. Бой завершился тактической победой русских войск, позволившей удержать позиции.
Этот бой стал одним из успешных эпизодов для русских войск в кампании 1904 года, продемонстрировав эффективность штыковых атак и инициативы на местах. Захват сопок предотвратил японское продвижение и способствовал стабилизации фронта.
