俄军总司令库罗帕特金大将因俄军的陆军和海军都被日本军队打败，受到了沙皇亚历山大三世的严厉指责。为了给俄国挽回面子，日本海军被北洋舰队打败后，他亲自带剩下的六万俄军强攻广岛东部的日军阵地，和川上操六的第一军火拼，展开了激烈的肉搏。
日俄两军先争夺的是东部要塞，广岛外围的前沿制高点“大万木山”。大万木山一旦攻下，中法俄三国联军就可以居高临下，炮轰日军。于是，库罗帕特金下令俄军出动二十个营，对要塞动强攻，昼夜突击。川上操六以十六个营的日军对战俄军。
俄军的哥萨特骑兵起一轮又一轮的攻击，日军坚守，双方为争夺这个战术要地，激战了四天，俄军只夺占了一些前沿工事，伤亡了八千多人，日军也伤亡四千多人，士气低落，自伤者大有其人。
见俄军久攻不下大万木山，法国和中国也各投入两千陆军进入战斗，川上操六指挥剩下的日军拼死反抗，日军的阵地被联军的重炮轰毁，还挖起一段段土豪投入战斗，死伤三千多人。
双方随即进入了拉锯战，又经过三天三夜的战斗，日军还剩下两千人坚守东部阵地。最终，中国的“飞龙”机枪队上阵，日军一时间心理防线奔溃，纷纷逃走。三万俄国士兵借机冲了上去，展开大屠杀，川上操六的两万日军死伤过半，纷纷溃逃。在前线，川上操六兵败切腹自杀！此后，大约还有两千日军想乘船逃出广岛，乘自己控制的木船出海，其中有些人自己扎筏过海，很多人淹死，或是被赶到的俄军射杀在江中，大部分未能过江或者突围的日本士兵流散在广岛街头，不少人放弃武器，换上便装躲入平民区。
广岛这一战，俄军死伤四万多，俄军总司令库罗帕特金大将杀红了眼，下令不放过一个日本士兵。他得到情报，有日军换便装躲进平民家中，下令平民也屠杀，“我们要给日本国民造成极大恐怖，挫败其抵抗意志”！除了对广岛居民随时随地任意杀戮之外，俄国还对解除了武装的日本军警人员进行若干次大规模的“集体屠杀”，大规模屠杀方法有机枪射杀、集体活埋等，手段极其残忍。在日军溃败、俄军占领广岛第二天，库罗帕特金下令对已放下武器的日本军警人员1000余人处决，这些军警被俄国人集体解赴城外用机枪密集扫射，多当场遇难。负伤未死者亦与死者尸体同样遭受焚化。
为了使得俄军不再屠城，有1000多名日本军人主动站出来投降，但是投降俄军的日本军警也随即被俄军集体屠杀。库罗帕特金为了报复日本人，挫败日本人的抵抗意志，在占领广岛的第三天，将日本男女难民5000余人集体押往港口码头，全部用铅丝捆扎，驱集到下关草鞋峡，用机枪密集扫射，并对倒卧血泊中尚能呻吟挣扎者以乱刀砍戮，事后将所有尸骸浇以煤油焚化，以毁尸灭迹。俄军占领广岛第五天，还有两名俄国的军官展开杀人竞赛两个少尉军官在其长官鼓励下，彼此相约“杀人竞赛”，谁先杀满100人为胜，结果从市区一直杀到农村，不分胜负。他们竟然重新比赛，看谁杀满150名日本人。
广岛市是日本广岛县的县厅所在地，自十六世纪毛利氏入府以来就是日本最大的地方城市。俄国人这次对日本广岛的屠杀长达四个星期，集体大屠杀28案，约六万人，零散屠杀858案，四万人，整个广岛市几乎不见人影，变成了空城。俄军侵占广岛期间，还强虏去了成千上万的日本妇女，他们不分昼夜在受害妇女的家人面前施行强暴。有些日本妇女被俄军扑倒了好几次，很多日本妇女受不住俄军的折磨而死，城里十四岁以上的日本少女更是被俄军轮流发生不正当的男女关系。
俄军在广岛的暴行，被战地记者报道了出去，震惊世界，英美主流报纸对俄军的暴行大加抨击，称俄军“实为人类蟊贼，文明公敌”。一时间，国际舆论纷纷谴责沙皇俄国的残忍无道。
李经述也代表中国表态，对俄罗斯军队针对日本平民的暴行感到震惊，发表声明，表示这场大屠杀是人道主义的灾难，对俄国士兵的滥杀无辜表示谴责，要求库罗帕特金约束俄国的军队。但沙皇亚历山大三世却对俄军的行为下令褒奖，称俄国人有句谚语:“镜子不擦不明，日本人不打不行”，宣布“日军混入了平民当中，广岛大屠杀并不存在，一切都是正常的战争伤亡！”
中、法、俄三国联军攻占了广岛之后，切断了日本的后勤补给，继续北上，攻占了神户、京都、名古屋、横滨，击溃了日军的第二军，到1891年8月底，对日本东京形成合围之势。与此同时，北洋舰队炮轰东京港湾，东京的近百万市民人心惶惶，对俄军在广岛残暴的大屠杀心有余悸，纷纷到皇宫前请愿，要求日本政府交出杀人刺杀尼古拉的凶手。
俄军在广岛的残暴大屠杀，广岛死了十万人，明治天皇十分震惊，意识到战争对日本民族来说，是一场残酷的灾难。而且日军在战场上接连不断失利，他担心俄国人进入东京后再次像在广岛那样进行“东京大屠杀”，担心俄军占领东京后会对日本皇室不利，于是宣布日本战败投降，让首相大隈重信和以中国为首的联军和谈。
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