徐邦道说服姜桂题、程允和等人率各部共计3000余人，再往土城子主动出击。
清晨，日军少将西宽二郎率领步兵第三联队、一个骑兵中队、一个炮兵中队、一个工兵大队作为前卫部队，经营城子、双台沟向旅顺进发。
秋山好古率右翼纵队搜索骑兵作为先锋，从三十里堡首先出发。秋山好古参与数次日本对外侵略战争，毕业于陆军士官学校，到法国留学，日本最高军衔的陆军大将，好战，好杀戮，是日本对外侵略的重要将领，唯一的骑兵名将，
到达三涧堡后，日军部队抵达土城子一带。立即将骑兵第二中队派往土城子警戒，秋山发现清军200余人已占领土城子南方高地。命令搜索队向三涧堡东侧散开，准备战斗。被埋伏在土城子南面高地上的程允和部队发现。秋山命令向清军射击，双方开始激战。
大清是马上得天下，这只骑兵队是满八旗的镶蓝旗下，虽然久未征战也还有些战力，而日本人的骑兵指挥则是一个叫龟田一郎骑兵中队长，据说他们的骑兵教练是一些法国人，从单兵素养和战术布置的训练都是比照法国骑兵队，且有些个年头了。起初两边的骑兵对战是日本人略占上风。日军根据过去的经验，清军看到日军就会立即逃跑。但是，这里的清军不仅一步也不后退，而且奋勇前进。
这时，程允和不断向前沿阵地增兵，指挥清军向日军猛扑过去，随着清军兵力的增加，日军骑兵陷入劣势，秋山好古发现清军兵力还在不断增加。估计清军已经有五六百人。日军准备抢先占有利地形。程允和部队已到达土城子以西地带，与姜桂题部形成钩状，把日军包围起来。
清军吹着军号，擎着赤黄色的旗帜，向日军发起进攻。清军人数甚多，西山步兵约700、骑兵200，前面步兵约1000多，左边步兵约500、炮5门，骑兵50，各高举旗帜冲向日军。
双方交战不久，清军就将浅川敏靖左臂击伤，并将其从马上击落在地。浅川敏靖所率领的第二中队也随之被击溃，日军伤亡者众多，饭尾金弥被击毙，木村松源等被击伤。
秋山少古率领的骑兵在人数上处于劣势，根本就无力抵挡清军的进攻，清军居高临下向日军猛烈射击。然后逐步将日军分隔包围各个击破，秋山好古无力抵挡，见势不妙不得不命令日军部队向北突围，去请求救兵支援。清军紧追不舍，如潮水般涌向日军，呐喊声如万雷齐鸣，子弹如雨点般纷飞，硝烟弥漫。战斗十分激烈，
然而，秋山好古的先锋队刚撤退到土城子东面的周家屯时，忽然遇一支雷霆纵队的侦查队突击队迎头打过来，突击队员的密集扫射，使先锋队又陷入困境。秋山好古派快马向旅团部求援。
日军第三联军丸井正亚少佐接到求援报告，立即派遣步兵第三中队前往土城子增援。
雷霆纵队第三支队的先锋部队侦查连得知清军在土城子一带与日军作战，因为还没有与清军取得联系，于是前往侦查，看到一队日本鬼子在行军，带队的连长命令立即投入战斗，向鬼子的队伍射击。