当初ロシア国防委員会やゴルバッキー将軍によって提案されたものからは縮小され、主防御線は前面の高地から見下ろされ、主防御線の外側から市内、港内が砲撃可能であるなどの弱点はあったが、多数の近代的堡塁と砲台を中核とし、その間隙を臨時堡塁、囲壁、野戦陣地等で補い、鉄条網をめぐらせた堅固な近代要塞となるはずであり、特に海正面は多数の砲台が造られた。

　
開戦当初は未だ工期の途中であり、海正面の砲台は概ね完成していたが、陸正面は一部を除いて完成してはいなかった。しかし３月中旬に要塞について経験の深いコンドラチェンコ少将（東狙兵第７師団長）の活力ある指導の下に急速に改善されていた。主防御線の永久堡塁の防備を完成するとともに、多数の臨時堡塁、機関銃座、野戦陣地等が設けられた。

関東軍軍司令官ステッセル中将、旅順要塞司令官スミルノフ少将以下守備兵力は東狙兵第４師団、同第７師団を中心に約４７０００名を数え、のちに海軍陸戦隊、義勇兵等が加わり、乃木第３軍を迎え撃つ態勢を固めていた。本国から救援のバルチック艦隊が来航するという連絡は既に伝えられており、守備隊の士気は極めて高かった。

要塞戦を軽視してはならないという、田中義一中佐（後の大将）、佐藤鋼次郎中佐（後の中将）、由比光衛少佐（後の大将）らの進言は積極的に採用されなかった。容易に攻略できたという日清戦争での経験とロシア軍の厳しい機密保持と相まって、旅順が最新式大要塞に変身しつつあることを知らなかった日本軍は、近代的攻城戦法の認識が不十分のまま本作戦に臨むこととなった。

５月２９日　以下のような戦闘序列が発令され、軍司令部は６月１日宇治港を出港、途中で聯合艦隊と打ち合わせを経て８日大連西北に到着した。

６月２６日　剣山等の敵陣地を攻略して前哨戦を推進、要塞補強の時間を得ようとするロシア軍の奪回攻撃を撃退してこれを占領した。さらに第９師団などの増援部隊の到着後攻撃を再開、７月３０日には要塞に対する攻囲線に進出した。陸軍の要請による海軍の陸戦重砲隊は、８月７日には旅順市街を砲撃して火災を発生させ、このため旅順艦隊は出港してウラジオに向かったが、途中で待ち受けた日本艦隊と黄海海戦を行い、その多くは旅順港に逃げ帰った。ロシア太平洋艦隊は再び出港することなく、水兵や砲の相当部分を揚陸して陸上防備を強化した。

８月９日には東正面の前衛陣地を攻略、攻城砲兵と弾薬は、我が軍によって修復した鉄道にて展開を終えた。
こうして総攻撃の準備は整った。

８月２１日　第１１師団が東鶏冠山第２堡塁を占領するも集中砲火を浴びて奪回された。２２日には盤竜山東堡塁の斜面に張り付いていた姫野工兵軍曹ほか数名が、堡塁近くの機関銃座を爆破して守兵が少ないことを報告、これに乗じて歩兵第７聯隊の残存部隊が突撃して同堡塁西北突角を占領した。ロシア軍の再三に渡る逆襲に対して、日本軍も増援を送り、遂には西堡塁も占領した。２４日も盤竜山東、西堡塁を確保するとともに戦果の拡大に努めたが、弾薬不足のため沈黙させられてしまった。
２４日朝　乃木大将らが双眼鏡でのぞいていると、明け行く光の中に次々と姿を現すには、斜面にとりついて倒れた無数の日本兵の屍ばかりであった。新式兵器である機関銃を駆使するロシア軍の前に、第３軍司令部はついに攻撃中止を命じた。主防御線では盤竜山東、西堡塁を占領するに留まって失敗した。ある聯隊では軍旗護衛兵若干を除いて、聯隊長以下全員が戦死するといった状況であった。

１０月１日から２８センチ榴弾砲６門の最初の砲撃が行われた。内地の海岸要塞から取り外して輸送してきたもので旧式ゆえに不発弾も多かったが、予期以上の命中精度と威力を発揮し、重火器不足に悩む日本軍にとっては有効的であった。日本軍が壕の掘削によって堡塁に近接するのに対して,ロシア軍は砲火の集中によって妨害した。夜間作業に切り替えると探照灯をつかって妨害、遂に日本軍は地下坑道を掘り進んで堡塁に接近した。

１０月２６日　北東正面に対する第２回総攻撃が開始された。今回の主目標は要塞北側主要３堡塁である。同日盤竜山北堡塁を奪取し、砲撃と坑道作業を続けた後に、３０日歩兵突撃を敢行、通称一戸堡塁と東鶏冠山北堡塁の一部を占領した。しかし松樹山、二竜山、東鶏冠山の３堡塁に対する坑道作業の完成には時間がかかるため、総攻撃を中止、３堡塁への坑道作業への進捗に努力を継続した。

乃木軍司令官に対する批判が高まる中、１１月２３日には、とくに第３軍に対し激励の勅語を賜った。また山県参謀総長からも攻撃成功を祈る漢詩が送られた。全国民の感情もまた激しく、「乃木将軍よ腹を切れ」との轟々たる非難、或いは激励する電報が引きも切らず第３軍司令部へ殺到していた。

水師営の谷の中から敵の防御線の一角を分断して要塞内に突入し内部を攪乱すれば、敵の指揮系統に混乱を生じる。そう考えた歩兵第二旅団長中村覚少将は、乃木軍司令官に直訴して決死隊を編成した。各部隊より選抜された特別支隊６個大隊３千百余名は、夜襲に臨み総員白いたすきをかけた。有名な白襷隊である。１１月２６日夕刻、乃木大将の見送りを受け中村少将を先頭に出発した白襷隊だったが、途中で地雷に接触してからはロシア軍のサーチライトに照り付けられ砲火が集中、旅団副官以下多数の死傷者をだし、中村少将自身重傷を負った。かくして窮余の一策として、戦術常識としては無謀に近い夜間の奇襲戦法は失敗に終わった。

１１月２７日　窮地に追い込まれた軍司令官は、主攻をついに２０３高地に変更、支援砲撃に続いて同夜より第１師団による２０３高地に対する攻撃が開始された。
一旦は高地の中腹まで突進したものの、ロシア軍の猛射を浴び兵の大半を失って退却した。翌２８日０８００　西南方面の突撃隊は猛烈な勢いで突進、これを見た右翼隊は援軍を送り死に物狂いで山頂に突入、激戦ののちに山頂西南部を一旦占領した。しかしその直後、南側からのロシア軍の大逆襲を受ける。山上からは魚雷を発射、自軍の白兵陣地にすら砲撃を加える凄まじさで、凄惨な争奪戦が展開された。２９日には到着したばかりの第７師団を投入、３０日夜には２０３高地を占領するも、翌朝にはロシア軍によって奪回され、石を投げ敵に噛み付き、戦友の屍を踏み越え屍山血河の修羅場が、２０３高地の争奪を巡る彼我の死闘によって現出した。

戦況を憂慮した大山総司令官は、児玉総参謀長を作戦指導のために派遣、児玉大将は直接第３軍参謀を統括するに至った。１２月３日から攻撃が再開され、１２月５日にはついに２０３高地を占領確保した。既にロシア軍も逆襲のための予備隊を消耗し尽くしており、２０３高地はまさに全山ことごとく日本軍将兵の屍をもって埋め尽くすことになった。

１２月１５日には作戦指導中のコンドラチェンコ少将が日本軍の２８サンチ砲弾で戦死したことも、ロシア軍将兵の士気の低下に繋がった。１月２日午後　水師営にて開城規約を調印、明治３８年１月５日正午には我が衛生隊本部に充てられていた民家にて、両軍司令官の劇的な会見が行われた。その日は朝から美しく晴れ渡り、数日前までの激戦が嘘のような穏かな日和であった。こうしてロシア軍の開城と武装解除により旅順攻略戦は終了した。

なおこの時明治天皇は、ステッセル中将が祖国のために尽くした忠節を重んじ、武士の名誉を保たしめるように、と希望された。天皇の聖旨は乃木大将に伝えられ、さらにはステッセル中将にも伝達された。我が国が武士道精神を発揮した一例である。

旅順の陥落によって、聯合艦隊はバルチック艦隊に備えて整備、訓練を行う余裕を得、満州軍は次の奉天会戦に第３軍を使用することができることになり、外債募集にも好影響を与えた。そしてこの戦いは、将来戦における科学技術の重要性に関する一大警鐘となった。