俄国政府一再表明要单独行动，显然它早就认识俄国的利益与列强并不一致，俄国与中国有漫长的边境线，由于特殊的历史原因，它在中国东北地区有重要的投资，因此俄国需要一个稳定的中国政府，需要由中国政府行使恢复秩序的权力。从这个意义上说，俄国政府在表面上看似乎是同情和帮助中国的，实质上它只是在为自己的利益着想，它乘此混乱之际出兵占据了中国的东北地区。
一 乘机出兵东北
俄国对中国领土具有极狂妄的野心，在义和团运动爆发并延至东北地区之后，沙皇俄国更是视为难得的机遇，于是迅速在西伯利亚和远东地区实行军事动员，伺机出兵抢占东三省。
俄国抢占东三省是从牛庄开始的。在6月15日以前，牛庄并没有义和团的活动。6月15日，义和团在牛庄城内及其附近地区宣传他们的主张。那时传教士已开始由内地前来，天津至牛庄铁路的外国雇员也到牛庄避难。在他们的心目中，牛庄似乎是一所稳定的堡垒。与此同时，由于大沽炮台的失陷，外国军队在津京一带逐步控制了局势，义和团在那里的活动受到了很大的局限，所以许多义和团便很自然地向牛庄一带转移，牛庄渐渐成为义和团与外国人最易发生冲突的地方。6月30日，设在沈阳的新教教会被义和团毁坏；7月2日，设在沈阳的法国教会也受到了义和团的攻击，教堂被焚毁，主教及其下属人员均被杀死，于是在沈阳的许多传教士和他们的属员都先后来到牛庄。
7月26日早晨，驻扎在火车站的俄军指挥官米申柯夫派遣四五百名士兵乘火车向牛庄进发，他们计划进攻中国道台的防卫部队设施与牛庄土城墙上的防御工事。俄国人的挑衅引起了驻守牛庄清军的愤怒，双方在土城墙上迅速交火。
经过激烈的战斗与谈判，8月4日，俄军攻占牛庄。第二天，俄国驻远东海陆军总司令阿克谢耶夫自旅顺口专程来到牛庄，立即任命俄国领事敖康福为牛庄的民政长官，以便尽早恢复秩序和贸易。与此同时，阿克谢耶夫致信各国领事，对俄国的军事行动进行解释。然而仅仅过了几天，俄国军队于8月12日又强行占领了海城。
俄国军队对牛庄等地的占领及其动向引起了西方国家强烈的反响，他们纷纷质疑俄国人的动机。为此，俄国政府也向西方各国进行了解释。8月27日，俄国驻英代办雷萨尔向英国外交部通报了俄国在中国东北地区的意图，表示俄国占领牛庄只是一种临时性的行动，俄国政府保证对牛庄这个开放口岸或对与俄军重新修筑的铁路具有利害关系的各国或国际公司的权利。
其实，在占领牛庄的同时，俄国军队利用一切机会强行占领了东北大片土地。7月间，俄军强占与俄国接壤的吉林珲春圈儿河、九道河、三道岭等地。稍后，俄军驻阿穆尔地区的军事指挥官又下令出动大批军警，制造了骇人听闻的海兰泡（布拉戈维申斯克）和江东六十四屯大惨案。
江东六十四屯位于黑龙江东岸精奇里江（结雅河）以南，与海兰泡隔江相望。根据中俄之间1858年达成的《瑷珲条约》，该地属于清政府管辖，居住在那里的中国人照旧准其各在所住屯中永远居住，俄国人无权干涉，更不得侵犯。然而当义和团运动爆发之后，俄国政府迅速利用混乱局势，乘机进入这个地方。
7月16日，俄国军队突然围捕在海兰泡生活的数千名中国人，并把他们驱赶到江边，其中大多数被刀斧砍杀，无辜惨死。紧接着，俄军闯入江东六十四屯，驱赶各屯居民，或聚集在大屋中放火烧死，或逼迫他们投江自杀。此次骇人听闻的惨案导致7000余人被活活地烧死或溺死。8月12日，阿穆尔地区军事长官公然宣称：“凡离开我方河岸的中国居民，不准重返外结雅地区，他们的土地将交与俄国移民专用。”俄国军队通过武力占领了中国的这块土地。
与此同时，俄国军队又对居住在尼布楚（涅尔琴斯克）、伯力（哈巴罗夫斯克）、海参崴（符拉迪沃斯托夫）等地的数十万中国人野蛮杀戮。根据中国方面的报告，在此次惨案中被枪杀、焚烧以及溺水而亡的中国人至少在20万人以上。
以海兰泡、伯力、海参崴等为基地，俄国出动十余万军队分路攻入中国东北地区，并强行占领。8月1日夜间，东路俄军占领黑河，3日占领瑷珲城，紧接着越过兴安岭。28日，东路军违背与驻守齐齐哈尔清军达成的协议，强行攻入齐齐哈尔，大肆掠夺。黑龙江将军寿山被迫自杀。
西路俄军从赤塔出发，相继攻占海拉尔、牙克石、博克图之后，越西大岭，与东路俄军相呼应。齐齐哈尔被东路军攻入后，西路俄军南下进攻吉林，占领伯都讷（扶余）等地。
自伯力出发的俄国军队沿黑龙江上溯，于7月17日占领拉哈苏苏（同江），30日攻占三姓（依兰），随后占领哈尔滨。
自海参崴出发的另一支俄国军队于7月30日攻占珲春，稍后即向宁古塔（宁安）强攻。驻守在那里的清军进行了长达40余天的顽强抵抗，终归不敌。8月29日，宁古塔失陷。
三 姓、珲春和宁古塔为吉林的三边，是吉林省城外围要地。三边相继失陷，吉林已无法防守，吉林将军长顺不得不向俄军乞降。9月22日，俄军占领吉林省城。
各路俄军相继得手，已形成对盛京（沈阳）的南北合围态势。9月28日，南路俄军攻占辽阳，10月1日占领盛京。至此，东北三省全部沦陷。
东三省在相继沦陷过程中遭受了极端的屈辱和大量的损失，俄国军队到处杀人放火，掠劫财物，**妇女，无恶不作。
军事占领并不能改变东三省的归属，为了使军事占领合法化、永久化，俄国政府在占领东三省的同时，企图与清政府订立条约。无奈，此时的清政府已经离开北京，俄国政府只好先行迫使东北地方当局订立临时性协定，企图将东三省变成俄国的殖民地。11月8日，俄国军事占领当局胁迫盛京将军增祺派员在旅顺与俄国代表草签《奉天交地暂且章程》九款，规定奉省清军一律撤销，所有军械统行收缴给俄国军队；奉天将军可设马步巡捕，拥有一定数量的警察，负责维持秩序；俄国军队驻扎盛京等地，营口等处亦归俄军“暂为经理”；俄国派员驻盛京“预闻要公”等等。显然，这个章程实际上将奉天沦为俄国的殖民地，暂且存在的盛京将军不过是俄国政府的傀儡而已。
二 争夺关内外铁路
俄国在悍然出兵中国东北地区的同时还利用中国的混乱局面抢占关内外铁路，竭力争夺对这一地区的控制权。6月11日，俄国陆军大臣库罗巴特金建议俄国政府必须控制北直隶湾的登陆地点以及由此到北京的铁路，并将之变成军事铁路，以便保证联军（特别是俄军）的作战和供应。
根据这一战略部署，俄国军队于第二天占领了天津老龙头车站及天津铁路总公司，并将山海关内外铁路的英籍工程师金达及其下属赶走，甚至将铁路车辆等设施涂抹上俄国西伯利亚铁路的颜色标志。
俄国军队的行动引起了英国的强烈不满。7月10日，英军司令西摩致函俄军司令阿克谢耶夫，要求俄国军队将所占领的铁路修复工作交给原来的中英联合管理当局。阿克谢耶夫拒绝了英国军方的要求。他的理由是：由于目前存在着军事行动，因此必须把铁路的修复工作交给拥有大量人力物力，有能力修复并有足够能力进行管理、保护的国家，即交给俄国军队进行管理。
对于阿克谢耶夫的辩解，西摩当然不会同意。他告诉阿克谢耶夫，这条铁路是用英国资本修筑的，它的管理权力只能属于英国政府，而且英国政府正在从印度调集工程师和部队，英国方面有足够的能力修复和管理这条铁路。
鉴于英俄双方的争执，在7月16日举行的各国驻大沽舰队司令官会议上，除了英国和美国表示反对外，多数国家考虑到由于正在筹备向北京进军，急需修复这条交通要道，因此决定将天津至大沽之间的铁路交给俄国人修复、保卫和管理。英国方面被迫承认这一事实。7月18日，俄国人正式接管这条铁路，并独自行使对这条铁路的控制权。
让俄国人获得大沽至天津铁路修复和管理的权利，其实只是各国舰队司令鉴于当时特殊的紧急情况而作出的权宜之举。然而当俄国人获得此项权力之后却得寸进尺，进而要求获得自天津至北京铁路修复与管理的权利，并称这一权利同样来自7月16日各国舰队司令官会议的授权。这自然引起各国，特别是英美两国的反对。
各国的反对没有阻止住俄国的进展。8月28日，俄国派遣军队驻扎在丰台南面附近地区，有意扩大占领北京周边的铁路线，这势必与联军，尤其是英美两国发生直接冲突。8月30日，英国军队占领丰台铁路交叉点，随后通过与附近村民的“友好协商”，顺利地搜集因义和团的破坏而散失的铁路设备，并开始着手修复和铺设中断已久的铁路。英国军队的这一行动很快遭到俄国军队指挥官的抗议，他们要求英国军队迅速撤出。
对于俄国人的抗议，英国军事当局当然不会轻易答应。英国将军嘎仕礼告诉俄国军队指挥官：7月16日的大沽各国舰队司令官会议仅仅授权俄国人修复和管理大沽至天津的那段铁路线，今后对铁路线的管理问题是各国政府尚未完全解决的问题，因此英国军队不可能从自己已经占领的铁路线上撤退，更不可能将这段铁路移交给俄国人，英国军队将继续进行铁路的修复工作，除非他们得到本国政府与此相反的命令。
英俄之间的直接冲突引起联军最高当局的注意。为协调他们之间的利益，避免联军合作的瓦解，联军最高当局决定把塘沽至杨村的那段铁路线的修筑权和控制权交给俄国人，并进一步决定德国在其他国家的帮助下经营杨村至北京的铁路。至于塘沽至山海关之间的铁路，建议把控制权也交给俄国人。
这一建议或许是出于协调列强利益的好意，但这一系列决定无疑触及到英国人的利益。英国人认为这一系列决定是不公正的，因为整个这条铁路是用英国资本在英国人的监督和控制下修筑的，而且英国工程师金达及其下属准备承担修复和管理这条铁路的工作。为了维护英国的利益，英国驻华公使窦纳乐要求联军最高当局收回成命，改变主意。英国政府也通过驻俄公使向俄国提出严重抗议，强调暂时置于俄国军队管理之下的铁路仅仅是自天津至大沽的那一段，并不是天津至北京及山海关内外的全部铁路。
在通过外交渠道进行交涉的同时，位于前方的英国军队也与俄国军队展开了激烈的争夺。9月30日下午，一名英国军官率领18名士兵在山海关火车站升起了英国国旗。10月2日凌晨，俄国军队自唐山沿铁路并从海上前来，至10月4日，大约6000名俄国军队毫无困难地占有了整个铁路的全线，并继续向北扩展，直至满洲。