8月19日，日軍在300門大炮的支持下對旅順發起總攻擊。第一師團爲右翼，主攻西部大頂子山、二0三高地等處；第九師團主攻龍眼北方堡壘、松樹山堡壘等地；第十一師團爲左翼，主攻雞冠山北堡、盤龍山東堡壘等地。此次戰鬥十分慘烈，日軍以肉身迎著俄軍重機關槍的掃射發起沖鋒，哀嚎遍野，慘不忍睹，日軍傷亡高達一萬五千多人，占第三軍的四分之一，還是久攻不下。

　　1894年中日甲午戰爭，日軍占領旅順之後，曾對無辜的旅順百姓大肆屠戮，事隔十年，旅順百姓竟再度受到日軍炮火的淩虐。至于俄軍，1898年強租旅大之後，在旅順建築了強固防禦工事，環繞著旅順口大約五十華裏長的防線上，有用石料和混凝土築成的白銀山、東雞冠山、二龍山、松樹山、案子山、椅子山等永久性堅固堡壘二十余座。爲了建築這些堡壘，俄軍每天動用六萬多中國民工日夜趕工。旅順俄軍有四千兩百人，後又調來太平洋艦隊水兵一萬一千人，裝備了大炮646門，機槍62挺。日軍第三軍除第一、第十一兩個師團和三個炮兵聯隊之外，又增加了第九師團和特種攻城部隊，兵力達五萬七千人。1904年8月7日，日軍開始炮轟旅順市區與旅順港俄國軍艦。

　　1904年12月29日，日軍艱難攻占東雞冠山堡壘後，續攻下二龍山堡壘。在這場軍事史上罕見的慘烈戰役中，俄軍首次使用高壓電，使得大批日軍觸電死亡。12月15日，俄國要塞陸軍防衛司令東西伯利亞第七師師長康特拉琴柯到前線觀察，日軍獲得情報，當他到達遠東雞冠山堡壘時，日軍用榴彈炮猛烈轟擊，康特拉琴柯被炸死。在付出重大傷亡後，日軍始攻占了二〇三高地、東雞冠山北堡壘、東雞冠山炮台、二龍山炮台、松樹山堡壘等要塞。

　　事實上，不僅日軍無視旅順百姓的生命與財産安全，沙俄軍隊亦肆虐中國的人民與土地。沙俄在旅順第二道防線前面的開闊地上，把幾十個村莊的百姓趕到山上，炸毀全部的房屋，搶走耕牛，強迫中國百姓運送彈藥、服勞役，並誣指許多無辜的中國人爲日軍密探而將其殺害。

　　1905年1月5日，第三軍司令乃木希典（第二排左二）接受沙俄旅順要塞司令斯特塞爾（第二排右二）的投降後，雙方人員合影，正式結束了整整曆時五個月的旅順戰役。1月1日，日軍攻占旅順口的望台炮台後，沙俄旅順要塞司令即命令參謀長雷斯（第二排左一）起草一封致乃木希典的信，建議就俄軍投降問題舉行談判，決定1月2日在旅順水師營會談。2日中午，日俄雙方開始會談，俄軍在旅順黃金山上挂起了白旗。事實上，旅順俄軍的投降令乃木十分意外，因爲日軍本身也無力再攻。在旅順圍城五個月的戰鬥中，日軍先後投入的總兵力達十三萬人，傷亡竟高達五萬九千人，俄軍傷亡兩萬八千人，被俘二萬二千人，日軍贏得了最後的勝利。