Zwischen 25. April 1901 bis November 1902 war er Kommandierender General des 2. Sibirischen Armeekorps, danach zwischen 2. November 1902 bis 3. Februar 1904 Kommandeur des 1. Kavalleriekorps. Im Russisch-japanischen Krieg übernahm er am 5. April 1904 die Führung des 1. Sibirischen Armeekorps. Der russische Oberbefehlshaber Kuropatkin war gezwungen, einen großen Teil seines Heeres bei Liaoyang zu belassen, da japanische Truppen sich wenige Tagesmärsche südöstlich von diesem befanden. Am 5. Juni waren 3/4 von Stackelbergs Einheiten um Te-li-ssu eingetroffen, doch Befehle Kuropatkins hinderten ihn, weitervorzurücken. Das 1. Sibirische Korps spielte in der Schlacht von Te-li-ssu (14./15. Juni 1904) im Kampf mit der japanischen 2. Armee unter General Oku Yasukata die zentrale Rolle. Der rechte russische Flügel geriet in der Schlacht in Gefahr eingekesselt zu werden, ein Gegenangriff blieb am 15. Juni stecken, Stackelberg konnte seine Einheiten zwar geordnet zurückziehen, doch die japanische Artillerie forderte dabei weitere schwere Verluste. Darauf kämpften seine Truppen am 24. und 25. Juli 1904 zusammen mit dem 4. Sibirischen Korps unter General Nikolai Sarubajew in der Schlacht von Tashihchiao.