时间不长，日军第二和第三军在海军舰船的护送下，先后在辽东半岛登陆，很快占领了大连。旅顺和辽沈之间俄军的陆上联系被切断，旅顺成了孤立的据点，守卫旅顺俄军司令施特塞尔被迫下令与日本决战。旅顺要塞先后经过清朝北洋舰队和沙俄海军的修筑，且有着非常坚因的防御工事，大小堡垒、炮台星罗棋布，并配有各种火炮，整个要塞被交叉控制住了。俄军司令施特塞尔曾经参加过八国联军，带兵侵入中国北京，可以说是个侵华老手，他十分自信自己的防卫能力，虽然这时俄军孤立无援，仍然相信旅顺不会被日军攻破。到8月中旬，日本海军和陆军完成了海上和陆上的包围，数万名日军已进逼到旅顺前沿，几百门大炮已停放完毕，炮口直向旅顺要塞。日军总指挥乃木希典得意洋洋，认为攻破旅顺指日可待。
双方互不服气，但谁也不愿主动出击，暂形成对峙局面。没多久，忍饥挨冻的俄军舰队终于沉不住气了，有20多艘俄舰驶出旅顺港，准备向海参崴方向突围。海面上风平浪静，也没发现日军军舰，舰队司令维特洛甫梯十分得意命令舰队缓缓前进。到了中午，一队日舰突然出现在海平面上，他们早已盯上突围的俄军舰队，准备来个突然袭击。俄舰冷不丁碰到对手，惊慌之中奋力炮击。日舰有备而来，早已开炮。霎时海面炮声隆隆，双方各有几只舰船着火，一场海战就这样开始了。俄军舰队凭借数量优势，又抱有突围的决心，因而拚命炮击日舰，终于以惨重的代价冲出了包围，继续向前航行。下午5点左右，日舰又追了上来，这次他们又汇合其它巡逻舰队，一齐向俄舰包抄过来。维特洛甫梯只好下令，调转船头，再次迎击敌人。
这次，俄舰失去数量上的优势，并且很多舰只在首战中负伤，炮弹也用的差不多了。因此，很快便被日军的一排排炮弹压得喘不过来气。日军指挥官命令所有船只集中炮火轰击旗舰。不一会儿，旗舰便中弹起火，维持洛甫梯也中弹身亡。俄舰失去指挥，顿时大乱，纷纷向旅顺港逃去。这时，陆上日军也开始炮击旅顺要塞。乃木希典凶相毕露，命令300多门大炮一齐轰击旅顺。旅顺要塞刹那间成了一片火海，很多堡垒和炮台被日军炮火摧毁。俄军奋起还击，凭借居高临下的优势和坚固的工事，把准备进攻的几万日军压得不能抬头。
乃木希典急红了眼睛，一面命令炮兵轰击，一面下令日军分三路进攻旅顺的几个制高点，日军硬着头皮，向前艰难的爬进，伤亡异常惨重。战斗进行了六天，5万多日军已伤亡过半，但旅顺仍然牢牢控制俄军手中。俄军司令施特塞尔看着死伤累累的日军，不由得冷笑了起来。
乃木希典无计可施，决定用挖地道的办法突破俄军炮火控制的前沿阵地，但俄军发现日军的诡计，在前沿挖了一道横向的堑壕。结果，日军费了九牛二虎之力刚一挖通，就被俄军炮击而死。这样一来，日军又死亡几千人。乃木希典急得“嗷嗷”乱叫，电告总司令部，速派援兵到来。不久，日军又抽调一个师，携带大批重型大炮和新式手榴弹，以及大批的物资和弹药，前来增援乃木希典。
这家伙顿时精神了很多，他下令从各师抽出精干人员，组成3000多人的敢死队，并亲自率领，准备夜袭旅顺要塞。这一天，乃木希典首先命令各种炮火集中轰击一处，准备打开一个缺口。登时，重型大炮把一发发重磅炸弹送了出去，炮弹呼啸着从空中划过，直飞俄军阵地。随着阵阵猛烈的爆炸声，俄军的一处防线被击溃，堑壕被填满，城墙被夷为平地，很多炮台也被炸毁。夜幕刚刚降临，乃木希典头裹一条白毛巾，雪白的衬衣被闪亮的皮带勒在腰中，手持一把雪亮的东洋刀，带领敢死队员从缺口处猛冲进去。这一招果然奏效，这些敢死队员冲进要塞，抢夺制高点。俄国人被这种气势吓得魂不附体，纷纷投降。接着，日军后续部队也涌了进来，占领了要塞的制高点203高地。紧接着，他们在高地上架设大炮，向旅顺市区和港口停泊的舰船进行轰击，俄军终于溃不成军。
施特塞尔看到大势已去，只好在1905年1月开城投降，日本人的蓄谋终于得逞了。
旅顺的得手，使日本人取得占领东北的根基，俄国再战无力，只好承认朝鲜为日本的“保护国”，还把中国的辽东半岛的权力转让给日本。自此，中国人民在日本帝国主义的铁蹄下，备受侵略者的欺凌。