日俄兩國軍隊在陸上殊死拼殺的同時，兩國艦隊則在海上展開神經戰。這一時期日本最大的問題，在於旅順港的太平洋艦隊。對於在大陸作戰的日本陸軍來說，這自然是一大問題。但是若從戰爭全局來考慮，對日本而言更加可怕的劇本是俄國艦隊仍留在旅順港，而從歐洲方面出動的另一支俄國艦隊抵達太平洋。果真如此，日本聯合艦隊將會陷入被敵艦隊前後夾擊的局面，很有可能喪失制海權。
於是，聯合艦隊司令長官東鄉平八郎認為，有必要將太平洋艦隊封鎖在旅順，使其無法展開行動。無論是成功率極低的旅順港堵塞作戰，還是駛近要塞化的旅順港以艦炮射擊港內俄艦，都是出於這一目的。但是，俄方也頻繁出動魚雷艇，並從港內猛烈炮擊來對抗日方的攻勢。因此，聯合艦隊的作戰沒有取得什麼成果。
在封鎖作戰仍在繼續的1904年4月中旬，戰列艦「彼得羅巴甫洛夫斯克」被日方布設的水雷炸沉，太平洋艦隊司令官馬卡羅夫戰死。馬卡羅夫是俄軍司令官中少有的憑藉實力一路晉升上來的人物，3月剛剛背負著俄方的期待到達旅順。他的死是對俄方的重大打擊。不過到了5月中旬，輪到日本戰列艦「初瀨」和「八島」被俄方布設的水雷炸沉。對於正在準備迎接大規模海戰、一艘主力艦也不願失去的日方來說，這是極大的打擊。
2018年11月9日，山東威海「威海歷史文化展」上的老照片。圖為旅順港內戰敗的俄國軍艦。 東方IC 圖在此期間，駐紮海參崴的俄國小艦隊不斷地在日本沿岸襲擊運輸船，可以說是實施了海上遊擊戰。不過，俄國小艦隊並沒有取得幹擾日本物資運輸的成果。僅憑4艘巡洋艦，也沒有起到牽制聯合艦隊的作用。日方由上村彥之丞指揮的第二艦隊負責追蹤這支小艦隊，海軍主力則全力對付旅順港的太平洋艦隊。
在這種情況下，海軍軍令部長與次長於7月12日拜訪大本營陸軍部，向參謀總長與次長出示了東鄉平八郎發給軍令部長的電報。電文明確展示了東鄉當時的想法：
旅順之敵艦隊如今正在努力修理艦船，亦有脫離我軍監視，於外海布設機械水雷之形跡，是故我軍海上之監視日漸困難。……倘若旅順港之敵修理完畢恢復戰力，反之我艦船戰力則逐漸削弱，單是對抗旅順之敵艦隊已失彼我海上之平衡，全局作戰實不堪憂慮。目下情報所言波羅的海艦隊東航若屬確實，我艦隊不得不大部撤回國內，加以必要修理。艦艇大部入塢後已過六個月，上漆及修理需一個半月。是故確認波羅的海艦隊東航之時，若不在相當之時機將我艦艇撤出本方面，則無法完成對抗該艦隊之準備。……以此情形，刻下我作戰上之最大急務，在於早日攻下旅順，保證登陸軍後方安全，我艦隊亦將擊破敵艦隊，完成對抗新來敵艦之準備。
可見，東鄉平八郎由於擔心波羅的海艦隊到來，希望陸軍方面儘早攻下旅順。其後召開的陸海軍高級幕僚會議採納了東鄉的意見，決定從速攻陷旅順。或許是因為理解到了這一作戰的重要性，陸軍方面對此並沒有什麼抗拒。從後來的經過看，也有可能是陸軍對攻陷旅順要塞這一任務過於輕視，於是輕易地接受了海軍的請求。
姑且不論這一問題，8月初海上發生了一次重要事件。俄方命令旅順港的太平洋艦隊強行出擊，駛向海參崴。而海參崴的小艦隊也做出策應，前往釜山海面迎接。
然而，8月10日早晨出港的太平洋艦隊於當天中午被聯合艦隊截住，在旅順港東南海面爆發了海戰。不過，東鄉平八郎司令長官當時未能把握俄方的動向，太平洋艦隊得以逃走。儘管如此，聯合艦隊到晚間還是在黃海海面追上了俄國艦隊，擊傷旗艦「策薩列維奇」。在這次黃海海戰中，儘管太平洋艦隊司令官維特格夫特（Wilgelm Karlovich Vitgeft）戰死，艦船四處逃散，但沒有一艘被擊沉。於是，聯合艦隊分頭追擊俄國軍艦。結果，逃入中立國港內的俄國艦船都在當地被解除武裝。另外，也有俄艦逃到庫頁島（薩哈林島）附近，在那裡自沉。不過，仍有包括4艘戰列艦在內的10艘俄國艦船駛回旅順港。
另外，當時前來迎接主力的海參崴小艦隊的3艘巡洋艦，於14日早晨在朝鮮半島南岸的蔚山海面與守候在那裡的上村彥之丞艦隊交戰。海戰的結果是一艘俄艦被擊沉，另兩艘也受傷頗重。於是，海參崴的小艦隊事實上已經被消滅了。
從作戰結果來看，日方大獲全勝，但東鄉平八郎對此是不滿意的。殘留在旅順的10艘俄艦，仍然是危險的存在。其實，俄方領導層已經不再打算讓返回港內的艦隊前往海參崴，而是將艦炮卸下安在陸上，加強旅順的防禦。不過，東鄉並不知道這一情況。他仍然盤算著在下一次海戰中殲滅太平洋艦隊。
波羅的海艦隊與東鄉的想法不同，8月海戰的結果給俄方帶來了很大衝擊。在馬卡羅夫戰死的4月中旬，俄國領導層已決定從波羅的海艦隊抽調兵力組織第二太平洋艦隊，前往太平洋。不過，由於俄方對太平洋艦隊自行突破日方的封鎖多少有所期待，這一決定遲遲未能付諸實施。俄國海軍的首腦中，恐怕頗有些人對於從歐洲向亞洲派出大艦隊的行動抱有不安。
如果俄方像東鄉擔心的那樣，開戰之後立即向太平洋派遣哪怕幾艘軍艦，分散聯合艦隊的力量，那麼戰況應當會變得不一樣。然而，在二流海軍國家俄國，即使要執行這種程度的決定，也找不到擁有足夠自信與經驗的指揮官。
到了8月23日，沙皇終於召開御前會議，討論黃海海戰後的措置。與會者大多認為，第二太平洋艦隊剛剛編成，準備不夠充分，不應倉促出動。也有人認為，比起從歐洲遠道派出艦隊，不如將原本預定由智利和阿根廷購買的巡洋艦派往旅順，增強太平洋艦隊的實力。
強烈反駁這些意見的，是被任命為第二太平洋艦隊司令官的羅熱斯特文斯基（Zinovij Petrovich Rozhestvenski）海軍少將。他指出，如果行動延期，那麼就要遣散好不容易為沿途補給而集中的外國船隻，下次派遣艦隊將會產生困難。
這一主張與派遣的目的和成本無關，純粹是從戰術角度出發，看起來有些奇妙。不過就大方向而言，有必要援救處於困境中的旅順與太平洋艦隊這一意見，是任何與會者都無法反對的。於是，會議決定秋天派出第二太平洋艦隊，在馬達加斯加與預定由智利和阿根廷購買的巡洋艦會合。據當時估算，第二太平洋艦隊將在1905年3月抵達戰場。
羅熱斯特文斯基曾參加俄土戰爭，擔任過駐倫敦武官，在海軍中是備受矚目的人物。如果連他的見識與艦隊指揮能力也被懷疑，那麼在俄國海軍中恐怕再也找不出司令官的合適人選了。
8月的御前會議之後，第二太平洋艦隊的派遣準備終於開始付諸實施。然而，由於編成太遲，艦隊連一次演習都沒有進行過。艦員則從各種艦船上抽調前來。而且由於編入了較舊的艦船，增添新式裝備需要花費時間。因此，實彈射擊訓練也是聊勝於無。一言以蔽之，第二太平洋艦隊在出發前進行的戰鬥準備是不充分的。
無論如何，到了10月15日，第二太平洋艦隊終於從利巴瓦港出發了。其陣容如下：旗艦「蘇沃洛夫」號，排水量13516噸，航速18節，是新建成的戰列艦。三艘同型艦「博羅季諾」「亞歷山大三世」「鷹」也被編入艦隊。其次是戰列艦「奧斯利亞比亞」「偉大的西索伊」「納瓦裡諾」。這三艦建造於1891~1898年，排水量略小，航速也較低。
至於巡洋艦，則有「納希莫夫」「金剛石」「阿芙樂爾」「斯維特拉娜」「珍珠」「德米特裡·頓斯科伊」。另外，航行途中又有海軍上校多布洛沃斯基率領的幾艘巡洋艦加入。除此之外，還有裝甲海防艦、驅逐艦和運輸船（準備從智利和阿根廷購買的巡洋艦最終未能到手）。
由此可見，第二太平洋艦隊的陣容相當雄厚。然而，途中沒有一個基地可供艦船與乘員休息，使得艦隊航行倍加困難。只有在不妨害中立國的前提下，俄國艦隊才能夠入港停泊，裝載補給。於是，對長途航行來說必不可少的艦船修理也無法稱心如意。擺在羅熱斯特文斯基面前的課題是非常嚴峻的。
第二太平洋艦隊被種種問題所纏繞，英國與日本的同盟關係對於海戰也具有很大的意義。無論是俄國的盟國法國，還是對俄國較為友好的德國，在海上都無法發揮英國那樣的作用。俄艦的乘員不得不意識到號稱海上霸主的英國的存在。10月22日在北海的多格爾沙洲海面，俄國艦隊將英國漁船誤認作日本魚雷艇加以炮擊，正是這種心理的體現。
這一事件起初被認為可能引發戰爭，但英方並不認為有多麼嚴重，於是一周後便得以解決，第二太平洋艦隊繼續航行。在法國的殖民地摩洛哥，艦隊兵分兩路：包括「蘇沃洛夫」在內的主要艦隻由於無法通過蘇伊士運河，只得從非洲大陸西海岸繞行。到了12月，這一隊俄艦終於經由好望角到達馬達加斯加。在那裡，羅熱斯特文斯基需要再度思考今後的行動。
要塞戰在此之前的8月19日至24日，俄方取得了這場戰爭中的第一次勝利：完全擊退日軍第三軍對旅順倉促發動的攻勢。
克裡米亞戰爭（1853~1856）中的塞瓦斯託波爾要塞與俄土戰爭（1877~1878）中的普列夫那要塞，都證明要塞戰擁有足以決定戰爭走向的重要意義。在要塞戰中，佔據要塞意味著控制地利，能夠左右此後戰鬥的勝負。不僅如此，要塞戰往往具有代表性戰鬥的意義，其中的攻防對兩軍的士氣有很大影響。當時的日軍對此還不甚理解。
在日方的戰史中，直截了當地指出日軍進攻旅順要塞準備不足的是《機密日俄戰史》。該書原是1920年代在陸軍大學校任教官的谷壽夫為挑選出來的極少數學生講授戰史的講義彙編。在該書中，谷壽夫尖銳地批評道，日方對要塞戰術的研究「較之俄方遠為幼稚，要塞炮兵科首腦軍官僅了解此種程度而已」。
這樣的見解，從《明治卅七八年戰役陸軍政史》的記載中也可以得到印證。該書在二戰結束前一直處於保密狀態。其中有如下內容：
八月二十九日本月二十一日對旅順要塞之總攻擊未能奏功，死傷頗多，遂決定於採取正面攻擊之同時，將箱崎炮臺撤去之二十八釐米榴彈炮六門運往大連灣，以之炮擊旅順。為運輸之故，令運輸船於九月一日左右向橫須賀返航。
該書還記載，寺內陸軍大臣在攻擊旅順之前曾就「運用如二十八釐米榴彈炮之大口徑炮為得策」這一觀點向參謀次長徵求意見，而「當時參謀本部之議論，一致以為以中小口徑火炮炮擊之後加以強襲，當可攻陷旅順要塞，陸軍一般意向亦概在於此」。
在準備不足的情況下一再突擊，結果便造成日軍在8月的第一次總攻中傷亡了5.7萬人中的1.58萬人。俄方戰史則記載，日軍傷亡近2萬人，原因在於「圍城部隊戰鬥力低下」，「當時使用的攻城炮威力不強，無法奈何混凝土建築物」。
前文提到的「二十八釐米榴彈炮」，是為海岸防衛而設計的，從這一時期開始轉而用於攻擊要塞。首先，鎮海灣要塞裝備的該型火炮於9月底被移交給第三軍，開始發揮它們的威力。10月以後，日本各地要塞的同型火炮以及彈藥、炮床等被送往旅順，相繼布設起來。於是，最終有18門炮用於旅順作戰。
儘管如此，用混凝土修建的旅順要塞仍然不是日軍能夠輕易攻下的。使用二十八釐米榴彈炮之前，日軍已在9月19~23日的攻擊中付出了4700~4800人的傷亡。
日軍10月26~31日的總攻也以失敗告終，傷亡3830人。第三軍參謀長在報告中寫道，二十八釐米榴彈炮雖然破壞了一部分堡壘，但對主要工事的效果並不好。而俄方戰史分析道，該炮的效果實際上相當顯著，但因為日軍沒有充分破壞塹壕側面與連接塹壕的工事便展開突擊，結果遭到了失敗。從戰況來看，後者的說法更接近事實。
攻擊旅順的失敗讓日本海軍領導層感到棘手。11月初，大本營海軍部預測，「羅熱斯特文斯基所率主力艦隊，將於十二月中旬在馬達加斯加島附近集合後駛向馬來群島附近，至遲明年一月上旬可到臺灣海峽附近」。為了修理聯合艦隊的艦艇以便對抗俄艦，最晚應在俄艦到達的兩個月前中止對旅順的海上封鎖。
也就是說，海軍方面認為對旅順的封鎖應在12月上旬停止。為此，大本營向滿洲軍總司令部詢問能否迅速攻下旅順，如果旅順在短期之內無法攻陷，第三軍能否用二十八釐米榴彈炮「首先破壞敵艦」。也就是說，應否突然炮擊旅順港內的俄國艦船而非旅順要塞。
圍繞著同樣的問題，當時東鄉平八郎司令長官與第三軍的乃木希典司令官也在頻頻交換意見。雙方在「首先破壞敵艦」這一點上意見一致。不過，第三軍的上級滿洲軍總司令部決定首先攻下旅順，因此主張將二十八釐米榴彈炮全部用於攻擊要塞。結果，為了解決這樣的意見分歧，11月14日反常地召開了一次御前會議。會上決定的方針是，為了「首先破壞敵艦」應當攻下俯瞰旅順港的203高地。
日軍領導層全體參與到圍繞旅順攻堅戰的爭論當中，是因為認識到即將來臨的海戰會決定戰爭全局的勝負。為了在這場海戰中取勝，日本希望儘快殲滅旅順艦隊。但是，要做到這一點，就需要陸軍從高地炮擊旅順港，陸軍為此也需要海軍的協助。於是，海上與陸上的戰鬥緊密地聯結在了一起。
沙河會戰在旅順的攻防戰持續進行的同時，東北的戰鬥也在繼續。到了這一時期，俄方終於取得了戰爭的主導權。由於日軍並沒有追擊從遼陽敗退的俄軍，加之戰後的補充讓俄軍得以喘息，俄軍領導層忽然又恢復了戰意。庫羅巴特金於10月2日宣稱，如今輪到俄軍發動攻勢了。事實上，俄軍約有19.5萬人，而與之對抗的日軍則有13.1萬人，兵力對比明顯是俄方佔優（蘇聯時代的俄國史學者認為，俄軍有19.4萬人，日軍有17萬人）。
沙河是匯入太子河的一條小河。這一地名指的是這條河流與南北走向的南滿鐵路交叉處偏南的地方。俄軍為了洗雪遼陽之戰的恥辱，準備將在遼陽北方布陣的日軍逐回太子河左岸。
在地形方面重要的一點在於，鐵路將日俄兩軍分隔在東西兩側，而戰鬥最為激烈的鐵路東側是山谷地帶，兩軍不易自由行動。已經進至沒有地圖可用的地方的日軍自不必待言，俄軍手裡也沒有關於這一帶山谷的地圖。而且俄軍在鐵路東側集中了比西側更多的兵力。因此，勝負未必完全由兵力與魄力決出。庫羅巴特金選擇東面為攻擊地點，是因為他最依賴的部隊部署在奉天以東。
日軍沒有充分補充遼陽之戰中消耗的彈藥，一時未定應對俄軍南下的方策。鑑於迄今為止俄軍體現出來的孱弱，日軍是希望採取攻勢的。然而，考慮到補給方面的不足，恐怕不得不採取守勢。時至10月7日下午，日軍司令部終於發出了「務必集結兵力，確保隨時皆可轉入攻勢」的含糊命令。由此，日軍全軍終於集結在太子河右岸，第四軍部署在中心地區羅大臺，東面為第一軍，西面為第二軍。
俄軍於10月5日從撫順方面向日軍第一軍的東側進擊，但由於態度極為慎重，反覆進行偵察，前進速度非常緩慢。根據俄方戰史的分析，俄軍的遲緩給了日軍採取對策的時間。
俄軍西路軍的行動更加不徹底。司令官比爾德林（Alexander Alexandrovich Bilderling）原本的任務是向日軍施加壓力，策應東路軍的進攻。但西路軍做出的行動僅僅是沿鐵路略微南下，隨即便按兵不動。這並不是庫羅巴特金所設想的威脅行動。
日方得知俄軍開始攻擊是在8日晚間。按日方的理解，當時俄軍開始攻擊日軍部署位置最東端的本溪湖。日方戰史認為沙河會戰從此時開始。
日軍遭到俄軍進攻之後，於9日晚間決意次日開始轉入攻勢。結果，從10日起，各地展開了真正的戰鬥。第一軍的右翼當日遭到了俄軍持續不休的攻擊，到了11日，戰況越發激烈。對雙方而言，戰局都相當嚴峻。然而，負責俄軍攻勢的東路軍司令官施塔克爾貝格（Georg von Stackelberg）於11日認定自己發動的攻勢即使持續下去也沒有勝算，擅自下令後撤，致使日軍在全線佔據優勢。由此，日軍得到了奪取東路主導權的機會。
時至12日，俄軍西路軍在日軍第二軍的進逼下開始後退。俄方於是擔心，日軍第一軍會從俄軍東路軍與西路軍之間的空隙穿插進去，將俄軍分割成兩半。而由於俄軍擁有龐大的預備隊，日軍也不敢貿然突進。於是，在日軍總體上佔優勢的情況下，雙方在各處持續著拉鋸戰。
日方的回憶錄中有這樣的意見：在炮兵的射擊技術與步炮協同水平上，日本較之俄國有著一日之長，這決定了此次作戰的勝負。被送上戰場的俄國士兵沒有接受足夠的戰鬥訓練，或許也對戰局產生了影響。俄國士兵從各地來到戰場之後立即投入戰鬥，缺乏炮兵與步兵協同作戰的經驗。
不過，對這場會戰的走向影響最大的是俄軍整體協調性的低下。庫羅巴特金儘管希望全軍統一行動，但缺乏這樣的能力。反觀日方，日軍總司令部將第四軍中動作遲鈍的第五師團改為預備隊，行動果斷，指揮系統未曾出現混亂。
時至17日，日軍逼近沙河左岸，漸佔上風。根據日方戰史，日軍截至20日的傷亡達到了20497人。俄方戰史則記載，俄軍的傷亡與失蹤人數合計40769人。顯然，處於攻勢的俄軍付出了更大的損失。
沙河會戰的確以遏制俄軍攻勢的日軍獲勝而告終，但日軍也沒有追擊敵軍的能力。16日下午6時左右，滿洲軍總司令部收到了參謀總長山縣有朋發來的如下電報（順便應該提到，大山巖於6月轉任滿洲軍總司令官之後，山縣繼任了他的職位）：
第二次編成之後備隊不至來年二月左右無法出戰，新設諸隊須至五月以後。野、山炮彈藥之補給不至十二月之後亦不能如意。
簡而言之，山縣要求滿洲軍總司令部了解，由於兵員與彈藥不足難以追擊俄軍。如果戰爭繼續下去，日軍即使取得作戰勝利，也不得不停頓下來準備下次作戰。
旅順的陷落沙河會戰結束後，日俄雙方都在努力恢復戰鬥力。俄方由於無法立即展開總攻，便計劃動用未曾在沙河出場的騎兵部隊，切斷日軍的補給線。另外，滿洲軍總司令部中也有人主張利用沙河的地形再度展開攻勢。但是東京的大本營沒有同意這一方案。當時，大本營的注意力完全集中在旅順。
11月19日，山縣有朋參謀總長向第三軍乃木希典司令官發出了以下電文：
已收到滿洲軍總司令官擬令第三軍佔領望臺一帶高地的通知。「此舉當神速果敢，使敵軍無抵抗之餘地。若再不成功了結，因彈藥等關係，爾後徐圖再舉之機不易得來。北方彼我均勢漸失，波羅的海艦隊東航益急，十二月上旬以後我海軍為準備對抗新來敵艦，不得已撤回封鎖艦艇之大部分時，敵軍再度恢復海上交通，輸入彈藥糧食，攻城則將愈發困難，大連灣之防備亦有危險。如今旅順之攻勢，實乃只爭朝夕。或成或否，信為陸海作戰利弊之所在，國家安危之所在。仰見老兄苦心所在，敬祝貴體安康，敢聞腹心，以待高見。」（另外，關於這份電報有兩種相似的文字傳世。）
由此可見，山縣要求乃木無論如何也要成功攻下旅順。這份電報的行文，現在看來過於冷酷無情，但山縣也許把它看作打氣鼓勁。
於是，到了11月26日早晨，日軍的攻城炮在旅順要塞東側開火了。幾個小時後，突擊作戰開始。日軍的攻擊夜以繼日，持續不停。然而，俄軍守備部隊也拼死據守，一一將其擊退。有鑑於此，第三軍司令部將攻擊目標集中在俯瞰旅順港的203高地上。這一攻擊從27日早晨開始。
但是，俄方從5月起便認識到了203高地在戰略上的重要性，因此使用了鹿砦（圍繞在陣地周圍的障礙物）、深壕、隱蔽射擊孔、鐵絲網、交通壕等諸多手段來加強該地的防禦。要奪取203高地是極為困難的。日軍採取了對壕作業，併集中使用二十八釐米榴彈炮，反覆發動突擊。剛剛到達旅順的第七師團也投入進攻。付出巨大傷亡而未能攻克203高地，使得滿洲軍總參謀長兒玉源太郎按捺不住，從遼陽以北的煙臺前來旅順指揮作戰。結果，日軍12月5日終於攻佔203高地。
日軍立即在山頂設置了觀測所，根據觀測結果用二十八釐米榴彈炮射擊旅順港內的俄國艦船。持續四天的炮擊之後，港內的殘餘艦船一一被破壞。有人懷疑二十八釐米榴彈炮能否擊穿俄國艦船厚重的裝甲，但這樣的議論並沒有什麼意義。當時，日軍對二十八釐米榴彈炮的期望是讓港內的艦船無法戰鬥。從這一點來說，203高地的炮擊取得了極大的成果。戰列艦「波爾塔瓦」、「列特維尊」、「佩列斯維特」、巡洋艦「帕拉達」等艦或被擊沉，或艦身傾斜無法航行。只有戰列艦「塞瓦斯託波爾」駛出港外，試圖殺出一條血路。該艦接連與日本艦隊交戰，最終於16日被擊沉。
20日東鄉平八郎會見了乃木希典。次日他報告大本營，旅順封鎖作戰已經告終。聯合艦隊得到了第三軍的幫助，又利用了波羅的海艦隊緩慢的航行，有了足夠的時間準備接下來的大海戰。
另外，12月5日203高地的陷落對旅順守軍而言是一大衝擊。軍港一失，就等於旅順喪失了要塞的功能。旅順要塞的攻防戰繼續持續下去，是因為它的命運對兩國國民而言具有象徵意義。因此，5日之後戰鬥仍在繼續。
12月中旬，旅順的俄軍戰鬥人員共有1.35萬~1.4萬人（包括水兵）。由於長期作戰與缺乏糧食，守軍極度疲勞，並且出現了大量壞血病患者。15日，一直激勵守軍投入防禦戰的康德拉琴科（Roman Isidorovich Kondratenko）中將戰死，他是在討論防禦方針時中炮身亡的。這進一步打擊了俄軍的士氣。
18日，日軍在東雞冠山的北堡壘正下方挖掘坑道埋設炸藥，破壞了堡壘的胸牆。俄軍試圖填埋炸出的大洞，但日軍猛烈的炮擊阻止了這一行動。於是，此處被日軍佔領。根據俄方戰史，當天日軍損失800餘人，俄軍損失300餘人。
隨後，日軍嘗試爆破俄方所謂的第11號堡壘（日方稱為二龍山堡壘），但因為地質構造是巖床而未能成功。不過，日軍28日終於將其破壞，讓突擊隊衝入，俄軍試圖將其擊退，但被日軍的機關槍壓制。
在這種情況下，要塞司令官斯特塞爾（Anatolii Mikhailovich Stoessel）於29日召開了防衛會議。不過，與會者主張繼續作戰。31日，日方稱為「松樹山」的堡壘遭到爆破；其後，日軍未經苦戰便奪取了這座堡壘。之後各處戰鬥仍在繼續，但斯特塞爾認為勝負已定，1月1日向日軍派出軍使請求投降，並於次日在水師營籤署了投降書。
蘇聯時代的俄方戰史寫道，這次投降是斯特塞爾及其幕僚的叛變行為，守衛旅順要塞的士兵並沒有投降的打算。如果拿出戰至最後一兵一卒的勇氣，還是可以繼續作戰的。無論彈藥還是糧食，也都還有富餘。然而，這種解釋應當說在很大程度上反映了擁有二戰經驗的俄國人的觀點。日俄戰爭時代的俄軍，並不會像蘇聯時代那樣將被俘看作不可接受的恥辱。
根據日方戰史，從第一次總攻的7月31日至俄軍投降當日，日軍約有13萬人參戰，其中傷亡5.9萬人。俄方戰史沒有交代這一時期的傷亡，但記載俄方自2月開戰以來在旅順攻防戰中傷亡、失蹤31295人，另有3000餘人病死，而日軍傷亡約10萬人。作為一場大消耗戰，旅順攻防戰可以說是日俄戰爭的濃縮體現。
本文摘錄自《日俄戰爭 : 20世紀第一場大國間戰爭》，[日]橫手慎二 著，吉辰 譯，社會科學文獻出版社，2019年4月。澎湃新聞經授權轉轉，現標題為編者所擬。
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