東北三省幅員遼闊，物產豐富，是我國反抗外敵入侵的戰略要地。沙俄對我國東北地區的侵略擴張由來已久。十九世紀七十年代以後，沙俄政府為了滿足資本主義的發展和封建貴族向外擴張的需要，進行了一系列的軍事改革：規定沙皇為俄軍的最高統帥，陸軍大臣負責指揮全軍的作戰和訓練；全國實行普遍義務兵役制，降低士兵服役年齡，擴大新兵來源；改進士兵訓練和軍官培訓制度，提高官兵素質；在全國建立十五個軍區，加強平時對軍隊的訓練和戰時對軍隊的指揮；整頓陸軍體制，精簡非戰鬥部隊，將野戰部隊和炮兵各增加60％；改進和統一軍隊的裝備，使用射程為兩千米的納甘特步槍和馬克沁機槍，統一了野炮、騎炮、野戰臼炮的形制，海軍艦隊也得到了加強。至十九世紀末，沙俄已發展成為一個極富侵略性的軍事封建帝國主義國家。中日甲午戰爭以後，我國東北地區進一步成為沙俄推行其向遠東侵略擴張政策的重要目標。在侵略我國東北地區的步驟上，沙俄當時有兩種主張：以陸軍大臣庫羅巴特金和外交大臣穆拉維約夫為代表的封建軍閥、貴族和軍事工業資本家，主張直接進行軍事佔領；以財政大臣維特為代表的新興工業壟斷資本家和金融資本家，則主張以經濟掠奪手段實現最終征服。沙皇政府綜合兩種主張，決定採取雙管齊下的侵華政策。
1896年，沙俄以聯合德、法干涉日本還遼「有功」，誘迫清政府與之簽訂《中俄密約》和《中俄合辦東省鐵路公司合同章程》，攫取了西伯利亞大鐵路中國段（中東鐵路）的建築權。這條鐵路通過黑龍江、吉林兩省，直達海參崴（今蘇聯符拉迪沃斯托克），不但便於沙俄對我國東北地區進行經濟掠奪，而且便於軍事侵略。維特當時就露骨地宣稱：有了這條鐵路，俄國就能在任何時間內，在最短的路線上，把自己的軍事力量運到海參崴及集中於滿洲、黃海海岸及離中國首都的近距離處，並促進附屬於中國的部族和俄國接近。１1898年3月，沙俄又通過《旅大租地條約》，取得了從哈爾濱經寬城子（今長春）、奉天（今瀋陽）至旅順、大連的中東鐵路支線築路權。同年5、6月間，沙俄大批鐵路員工進入我東北三省，並從山東、直隸及當地僱用二十多萬中國民工，分十九個工區，開始全線修築鐵路。通過築路，沙俄得以派遣各種人員，搜集東北三省的政治、經濟、軍事情報。同時，又以「護路」為名，向鐵路沿線派遣了六千餘名武裝「護路隊」。此外，還在哈爾濱設立有二千五百餘人駐守的鐵路警備司令部。
為適應侵略戰爭的需要，沙俄在搶修中東鐵路的同時，又採取鎊種手段，控制東北地區的內河航運、公路交通以及外海通路。當時，東北三省的額爾古納河、黑龍江、烏蘇里江、松花江等主要河流及其支流的航運，幾乎均被沙俄所壟斷。沙俄「阿穆爾汽船公司」擁有各種運輸船三百餘艘。其中有專為適合松花江航行而建造的汽船；有由十三艘大型汽船組成的運載量達一萬五千餘噸的海上運輸隊。1900年4月，中東鐵路千餘公里的路基和大部分鋪軌工程已經完工，中東鐵路支線除中段二百餘公里外，也已竣工。至此，沙俄幾乎完全控制了我國東北地區的交通命脈，為戰時運送兵員和軍需物資創造了條件。１
為了實現鯨吞我國東北三省的野心，沙俄還加緊進行大規模入侵的軍事準備。自中日甲午戰爭以後，沙俄在我國東北邊境地區的兵力日益增加，到1900年6月初，統轄黑龍江以北、烏蘇里江以東大片地區的沙俄阿穆爾軍管區，已有兵員九萬八千餘人，馬一萬五千餘匹。２除要塞及留守部隊外，這些部隊大部駐紮於我國東北三省當面的俄國各邊境城鎮，如海參崴、雙城子（今烏蘇裡斯克）、伯力（今哈巴羅夫斯克）、海蘭泡（今布拉戈維申斯克）、赤塔等地，直接窺視和威脅清軍行動。
與此同時，沙俄還加強了旅順軍港的建設，使其成為具有一定獨立作戰能力的軍事基地。至1900年7月初，沙俄駐旅大兵力達兩萬三千三百餘人，游弋於黃海、渤海的各種鋼鐵軍艦達四十一艘，水雷艇三十艘，控制了從黃海經朝鮮海峽及日本海抵海參崴的通路，溝通了南北各據點間的聯繫。
從1900年6月初開始，沙俄最高當局即密切注視著我國直隸地區義和團運動發展的趨勢，尋找進攻我東北三省的時機和借口，同時加緊進行戰爭準備。6月8日，沙俄政府宣佈關東一帶進入戰爭狀態，命令軍隊作好臨戰準備。6月15日，陸軍大臣庫羅巴特金命令駐伯力的阿穆爾軍事總督格羅傑科夫中將，制訂進攻東北義和團及清軍的作戰計劃。6月17日，八國聯軍侵佔大沽，沙皇尼古拉二世便於6月23日宣佈，首先在阿穆爾軍管區進行戰爭動員，全區進入戰爭狀態，並立即編組先遣軍。接著，在沙俄亞洲部分的西伯利亞、土耳克斯坦軍管區以及歐洲部分的某些地區進行戰爭動員。7月6日，尼古拉二世宣佈自任俄軍總司令，陸軍大臣庫羅巴特金任總參謀長。不久，沙俄陸軍部下令將原駐阿穆爾地區的西伯利亞軍改編為西伯利亞第一軍，並將新徵調的部隊進行統一編組和部署：
西伯利亞第一軍：集結於旅大、海參崴。作戰部隊約三萬四千三百餘人，計有步兵四個旅（共三十二個營）、騎兵十四個連、工兵一個營又一個連、炮兵兩個營又六個連（裝備各種火炮九十六門）。
西伯利亞第二軍：集結於伯力。作戰部隊約三萬六千二百餘人，計有步兵四個旅（共三十二個營）、騎兵一個混成師（共二十七個連）、工兵一個營（一說一個營又兩個連）、炮兵兩個營又七個連（裝備各種火炮九十門）。
西伯利亞第三軍：集結於赤塔、涅爾琴斯克（原尼布楚）等地。作戰部隊約三萬一千三百餘人，計有步兵四個旅（共二十八個營）、騎兵一個師（共二十五個連，其中有一個裝備六門炮的騎炮連）、工兵四分之三個營、炮兵九個連（裝備各種火炮七十門）。
登陸軍：集結於海參崴、雙城子。作戰部隊約三萬三千七百餘人，計有步兵四個旅（共三十二個營）、騎兵十三個連（一說十一個連）、工兵一個營又一個連、炮兵三個營又一個連（裝備各種火炮七十八門）。
以上共有作戰部隊約十三萬五千餘人，火炮三百二十八門。此外，各要塞和軍區尚有留守部隊四萬餘人。
7月14日，八國聯軍攻佔天津。清廷因京城危急，已無力顧及東北三省的危局。沙俄陸軍部抓緊這一時機，分別於7月18日和22日（俄歷7月5日和9日）致電在伯力的格羅傑科夫和在旅順的阿列克謝也夫，指示俄軍三路從北部（鐵嶺以北，含吉林、黑龍江省）、一路從南部（盛京省）進攻中國東北地區：北部由西伯利亞第二軍、第三軍及登陸軍一部擔任主攻，司令部設於伯力，阿穆爾軍事總督格羅傑科夫中將任總指揮；南部由西伯利亞第一軍及登陸軍一部擔任主攻，司令部設於旅順，關東省（沙俄擅自設立）總督阿列克謝也夫海軍中將任總指揮。沙俄陸軍部作戰指示的要點是，多路出兵，攻取齊齊哈爾、哈爾濱、吉林、長春、奉天等重要城市，以實現分進合擊、速戰速決，迅速奪取東北三省的戰略目的。經格羅傑科夫和阿列克謝也夫建議對上述方案作某些調整，沙俄陸軍部最後決定按下述五路部署進攻：
西北路：以集結於赤塔、涅爾琴斯克的西伯利亞第三軍一部為主力，越過阿巴該圖，向東南進攻呼倫貝爾（今海拉爾市）、齊齊哈爾，爾後會同北路俄軍及東北路俄軍一部，向吉林、奉天推進。
北路：以集結於海蘭泡的西伯利亞第三軍一部為主力，渡過黑龍江，向南進攻璦琿（今愛輝南）、墨爾根（今嫩江）、齊齊哈爾，爾後會同西北路俄軍及東北路俄軍一部，向伯都訥（今扶余）、長春推進。
東北路：除派兵一部支援海蘭泡俄軍作戰外，以集結於伯力的西伯利亞第二軍為主力，沿黑龍江、松花江水路，向西南進攻三姓（今依蘭）、呼蘭、哈爾濱，與「護路隊」裡應外合攻佔哈爾濱後，分兵一部向東進攻寧古塔（今寧安），另一部向西助攻齊齊哈爾，爾後會同西北路和北路俄軍，向吉林、奉天推進。
東南路（分兩個方向進攻）：一部以集結於雙城子、海參崴的西伯利亞第一軍及登陸軍為主力，向西進攻牡丹江、葉河寧古塔；另一部從克拉斯基諾出發，向西進攻琿春、鄂摩和。爾後合力向吉林、奉天推進。
南路：以集結於旅大的西伯利亞第一軍和登陸軍一部為主力。一部從水路進攻營口（今營口市）；另一部從陸路進攻熊岳、蓋平（今蓋縣）。爾後向遼陽、奉天推進，並在鐵嶺同北部戰場的四路俄軍會合。
在部署上述五路進攻的同時，沙俄政府又向我東北三省鐵路沿線增派「護路隊」，使其由原來的六千餘人增至一萬一千人，藉以牽制東北三省清軍的行動，策應各路俄軍的進攻。