8月10日，松村务本的日军第1师团着手自己的初始进攻，在北大王山（日方称干大山）成功将一支沙俄侦察分队击退，即位于174高地东北约4公里处。在2号区域，沙俄守军在老镢山（日方称高崎山）山顶和426高地构建一条用于外线作战的前哨阵地★■◆◆◆■，由三支沙俄侦察分队共约300名官兵驻守于此。特列季亚科夫的沙俄东西伯利亚第5步兵团驻守主要的防线★◆■◆◆，共有八个步兵连和两个炮兵连分别部署在174高地■★■◆★■、203高地（俄方称维索卡亚山）和化头沟山。尽管沙俄守军挖掘了一些壕沟并布设了一些带刺铁丝网◆◆★■◆■，但这些防御阵地仍旧都不是特别的坚固。8月13日至14日的夜晚，日军第1步兵旅团率领数个步兵中队向沙俄外线前哨阵地推进。尽管日军拥有巨大的兵力优势——大约8★■◆■■:1——但最初的袭击因在黑夜中遭遇到沙俄设置的带刺铁丝网而宣告失利。沙俄守军发射了照明弹■★，日军步兵部队无处遁形顿时陷入一片混乱。日军于8月14日破晓前发动了数次“万岁冲锋◆■★■★”，但这些攻击也以失败告终■◆■★■。由于日军进攻受挫，日军诉诸炮火轰击旨在将沙俄守军赶下山顶。日军炮兵部队发射了装填有下濑火药的高爆弹，对缺乏深沟高垒的沙俄守军造成了巨大杀伤。康德拉琴科从沙俄第4预备营抽调出两个步兵连外加两个连兵力的海军部队增援特列季亚科夫的前哨防线，但这也仅仅是延缓了最终的失败。时至8月14日的夜间★★◆■★◆，特列季亚科夫的前哨防线日上午，沙俄守军试图对老镢山进行增援，但就在预备部队到达阵地时，日军炮兵部队立即对其进行炮击，沙俄守军随即向后方溃逃。尽管特列季亚科夫努力聚拢沙俄守军，但很快，所有残存的沙俄守军随即弃守426高地和老镢山。日军仅为了攻占426高地就损失了400多名官兵，而沙俄守将总共损失了约250名官兵，但掩护部队的作战已经失败了。
乃木希典打算利用这两座已经在日军手中的堡垒阵地作为进攻跳板◆◆■◆★，发动一次全面的夜袭，一举突破望台炮台，他很快就启动了这个作战计划◆◆■★★。这次夜袭于8月23日22:00时左右开始，随附的战斗场景插图中描绘了这次夜袭的惨烈程度。这是一次彻彻底底的惨败■■，日军的第9师团付出了数千人伤亡的代价，并耗尽了轻武器的弹药储备★■★◆■。同样，日军野战炮也极度缺乏弹药，在获得补给之前无法进行任何的火力支援。日军于8月23日至24日的夜袭失败之后■◆◆，显而易见的是，日军的第一次总攻使得沙俄原本连贯的防线变得扭曲■★■◆★，但并没有让其崩溃。乃木希典的日军第3军在这场攻势中付出了15860人伤亡代价（其中战死5017人）。此外★■★■◆，他的部队在8月头两周就已经遭受到数千名官兵的战斗伤亡◆◆■，大约有1万名日军官兵因野战卫生条件恶劣而患病★◆★。因此，乃木希典的日军第3军减员将近3万人，约占其总兵力的40%。沙俄守军在击退日军的进攻中也付出伤亡6000人的代价，其中约1500人阵亡★■★★■。
位于旅顺的一座沙俄前线指挥所和沙俄哨兵■◆■◆，此时沙俄军官正与抵达的日军交接投降事宜。注意背景中是排成长列被解除武装的沙俄卫戍部队。
然而★◆◆，次日（即8月8日）的清晨◆◆◆★■★，雨势依旧没有减弱■◆，于是土屋光春决定继续等待更有利的进攻条件。但出乎意料的是，一支由★★■“新贵”号巡洋舰率领的沙俄分舰队突然出现在塔河湾，并开始向日军第43步兵联队的集结区域展开炮击，日军伤亡惨重。东乡平八郎的巡逻舰在此能见度极低的情况下未发觉沙俄舰队的出击，因此附近海域并没有日军军舰◆★◆。最终，日军的两艘装甲巡洋舰被调派而来，但■★◆◆“新贵”号巡洋舰及其僚舰毫发无伤地撤离战场★■★★■◆。这一战事让旧日本陆军和旧日本海军之间引发了相当大的仇怨★◆★◆■。土屋光春麾下的日军第11师团在混乱中指挥紊乱直到下午晚些时候才恢复进攻，其步兵部队直到19★■:00时才继续向前推进★★■★◆。尽管如此■◆★★，这次日军步兵部队取得了更好的进展，因为山顶上沙俄守军的弹药即将告罄，这显然是意料之外的事情。到20:30时，日军第22步兵旅团的步兵部队抵达大孤山山顶，沙俄守军则被迫撤退。次日黎明，小孤山遭到日军部队的袭击。这两座高地的丢失对沙俄在旅顺要塞东线的防御力量是一个严重打击，但乃木希典没有沿着这条攻击轴线做出进一步努力★■★◆★■。这些辅助攻击总共造成日军第11师团1280人伤亡★◆◆◆，而沙俄守军仅450人伤亡。
随着沙俄侧翼防御体系的瓦解，乃木希典于8月16日上午派遣了一名参谋打着白旗进入旅顺要塞，列出投降条件对沙俄守军进行劝降。乃木希典在劝降信中提到，1894年的旅顺大屠杀可能会重演，他警告说，“在日军攻入城市的途中，可能会发生毫无意义的死亡以及任何可能发生的暴力、谋杀或者抢劫★■◆，这是难以避免的。”斯特塞尔和斯米尔诺夫起草了一份联合答复，简略地拒绝了日本的投降提议。乃木希典还提出允许平民撤离这座城市。到围城开始时，占战前三分之二的人口撤离了该城■★★★，但大约2000名沙俄和14000名中国平民以及40000名沙俄官兵仍留在旅顺军港。
康德拉琴科缺少恢复203高地防线的预备兵力，一旦该高地失守■◆◆★，他就不得不下令将老虎沟山和化头沟山的沙俄守军一同撤出★■◆★■。这三处防御阵地基本上就是“一揽子交易”，日军一旦占领203高地，那么其余两处高地的通信联络就会变得极为困难◆■◆■。通过缩短战线，康德拉琴科可以掌控更好的战机动用剩余的步兵部队守住最后的核心防线。乃木希典的第四次总攻对双方来说都是一场殊死较量。日军第3军伤亡16936人（包括5052人阵亡），沙俄军队伤亡17380人（包括5380人战死）。一旦日军能够在203高地上设置前进观察员，日军炮兵部队就改变280毫米榴弹炮的方位，开始炮击距离不到6000米的旅顺内港★★■◆★，旨在摧毁沙俄的太平洋舰队。到目前为止，大部分沙俄军舰上只剩下骨干舰员。12月5日下午，“波尔塔瓦◆◆★★★”号战列舰被击中★■，弹药库被引爆，坐沉于军港的浅水区■■◆★★。12月6日★◆■★，■★“列特维赞”号被日军14枚280毫米榴弹炮击沉于军港内，次日，“胜利”号战列舰被击沉。“智慧女神”号和◆◆★★■“巴扬”号巡洋舰于12月8日至9日被日军炮火击沉。为了达到欺骗日军的目的★■，沙俄海军将“佩列斯韦特”号战列舰自沉于旅顺军港浅水区■◆。唯一在炮击中幸存的是“塞瓦斯托波尔”号战列舰，舰长是尼古拉·奥托维奇·冯·埃森海军上校，该舰于12月8日夜晚驶出旅顺内港■◆，停泊在白狼湾水域，附近2号岸防炮台的6英寸火炮对其进行火力防护。沙俄海军在该战列舰周围还布设了反鱼雷网和浮栅，以保护其免受日军鱼雷艇的鱼雷攻击■◆◆◆■，沙俄舰队中剩余的小型军舰（七艘驱逐舰和“勇敢”号炮舰）提供护卫任务部署在该战列舰的周围。
日军第1师团派遣山本信行少将的日军第1步兵旅团攻击174高地东南面的南山坡山，即海鼠山◆■。特列季亚科夫在这座山上部署了两个沙俄步兵连，还有一支沙俄海军官兵分遣队和一些沙俄炮兵部队■★■★★◆。9月18日至19日夜间■◆★，日军的一个中队对高地发起突袭，沙俄守军猝不及防，日军不费一枪一弹就占领了该高地东北角部分次要战壕。特列季亚科夫对这场轻易就失败的作战震惊不已■◆，他命令部队发起反击，击退这股日军，但没有得逞。9月19日上午，日军的炮兵部队开始炮击南山坡山山顶■★■★◆，其中包括4门47毫米哈奇开斯速射炮，这些火炮是被悄悄搬到174高地上的。这场近距离炮击造成沙俄东西伯利亚第5步兵团第9步兵连的75人伤亡，其中包括该连的所有军官。特列季亚科夫派出了一个连的预备部队来增强该高地防御力量，但随着夜幕降临★■★◆■，日军的四个大队冲出战壕，开始向高地发起进攻◆★★◆■■。尽管沙俄守军赢得胜利的机会极为渺茫★★★★★，但沙俄步兵和炮兵还是在南山坡山上坚守数个小时■◆，山本信行少将在该次突袭中阵亡。在本次突袭中幸存的沙俄官兵最终于9月19日至20日的夜间撤出了南山坡山。
在定于10月26日开始的第三次总攻中★◆■★★◆，乃木希典打算动用全部的三个师团（每个师团的兵力已经减少到原来的约50%至55%）来占领望台炮台的关键阵地：松树山堡垒和二龙山堡垒以及东鸡冠山北堡垒。沙俄守军完全预料到了该作战行动，并使用更多的沙袋、地雷和其他障碍物加强了中国城墙沿线时，日军炮兵部队开始炮火准备◆◆■■★，重点是松树山堡垒和二龙山堡垒。在接下来的四天里，日军炮击将间歇性地持续■◆◆■，消耗了大约20000枚炮弹（包括1800枚280毫米榴弹炮炮弹）。沙俄的三座堡垒都遭到严重破坏，炮台火炮被炸毁◆■■，守军人员伤亡惨重。10月26日17:00时，日军第2步兵联队发起攻击冲锋，占领了二龙山堡垒的外围壕沟，但随后即遭到沙俄守军猛烈的火力压制。在炮火爆炸的噪音和硝烟中★■◆，日军工兵部队加快了向沙俄守军所有三个堡垒的掘壕速度★◆◆■。然而，接近东鸡冠山北堡垒坑道被沙俄守军发觉◆◆■★，10月27日上午★◆，沙俄守军对该地下坑道进行爆破◆★，日军工兵部队顿时全军覆没。10月29日上午，沙俄守军从二龙山堡垒发起了一次大规模反击★◆■，旨在设法夺回被日军攻占的部分战壕。虽然乃木希典的炮火确实削弱了沙俄守军的外围防御■★★★■，但也提醒沙俄守军本次日军的主攻方向。日军的炮火准备计划持续到10月30日，届时日军三个师团将于13:00时同时发起猛攻◆★。
乃木希典的作战方案非常缺乏想象力◆◆◆◆，本质上只是一次更集中的正面攻击。他麾下的一些参谋提出进攻防守薄弱的沙俄军队侧翼的想法，但乃木希典对此并不感兴趣◆★■■。如果日军第11师团攻击位于白银山炮台和岸防炮台之间的沙俄右翼军队，东乡平八郎的战列舰舰炮便可以提供火力支援，但旧日本陆军和旧日本海军领导层都不赞成这种联合作战行动。即使是日军的后备步兵旅团发动一次对沙俄左翼军队的进攻★★，也可能让沙俄军队从主战场上调出本就稀缺的预备部队。然而◆◆★■◆★，乃木希典并不倾向于通过花哨的战术手段或与旧日本海军合作来增强他部队的作战实力，所以他选择了最简单的解决方案。到9月初■◆◆，日军工兵部队已经在龙眼北方堡垒和水师营南方堡垒的35米至70米范围内修建了平行战壕■◆，乃木希典的意图已经昭然若揭。在如此接近的情况下，双方每天都会遭受到狙击和迫击炮打击的伤亡◆■★■■★，这让双方的部队很快陷入精疲力竭的境地■★★◆。沙俄军队学会了每次只让每个连抽调一个排的兵力留守在战壕内，而将其余各排的沙俄部队轮流安排到预备阵地进行休整和用餐。
从旅顺要塞外传来的消息也令人揪心。尽管在辽阳战场上，沙俄主力部队与日军部队在兵力上有着2★■★■★■:1的优势，但库罗帕特金还是被日军击败并于9月5日被迫撤出辽阳◆■■★★。沙俄军队在辽阳会战的失败意味着■◆■★◆■，在年底之前甚至也许要到明天开春，沙俄对旅顺要塞的陆路救援才会开始。虽然听闻沙皇将派出沙俄波罗的海舰队前往旅顺军港的消息振奋人心，但这支舰队也要到明年年初才会到达◆◆◆★◆。因此★■★◆■◆，无论旅顺要塞的沙俄守军能够获得什么样的战术胜利◆◆■◆■★，到9月底，从战略形势上来看，旅顺之围至少在6月内不可能得到援救。康德拉琴科为斯特塞尔写了份备忘录★◆■★★■，概述了这些因素，并总结道：“指望我们的陆军或海军对旅顺军港进行及时救援已经无望。”康德拉琴科铤而走险，还建议斯特塞尔向沙皇提议在旅顺要塞陷落之前能寻求和谈★■◆，以避免国家蒙受耻辱。斯特塞尔拒绝向沙皇传递任何这样的信息以内他担心这会有损他的职业生涯★◆■。
1915年的加里波利战役和1916年的索姆河战役都将是这场战役的翻版重演，日军在13:00时之前刚刚停止炮火准备，随后◆■，5个日军步兵联队共计约2万名日军组成的突击部队跃出他们构建的战壕和胸墙向前发起冲锋◆■■。沙俄防线个连的守军进行驻防，约有3000名步兵部队和500名炮兵部队。在一些防线地区★■◆◆◆，日军的胸墙和沙俄的前沿阵地之间仅相隔40米的距离。然而★■◆■◆◆，这就已经足够了。日军第2步兵联队向松树山堡垒发起攻击，并设法到达了沙俄堑壕外围，但是随后日军发现堡垒周围的壕沟比预计的还要深■■◆■■，他们的工程梯太短。同样的遭遇也发生在对沙俄二龙山堡垒发起攻击的日军第19步兵联队的身上◆■★◆。正当日军步兵部队被沙俄筑起的壕沟拦住时，沙俄守军对日军进行机枪扫射和霰弹近距离平射，致使日军开始混乱地向后溃退。日军第9师团对沙俄东鸡冠山北堡垒的攻击则运气稍好。尽管一户兵卫少将的日军第6步兵旅团未能占领主堡垒，但是却占领了堡垒侧翼的两个次要防御阵地——无名堡垒（俄方称P号堡垒，日方占领后将其改名为一户堡垒）和瘤山堡垒■★■。沙俄守军感受到日军的威胁遂发起反攻，意图将该两处据点的日军部队全部消灭，一户兵卫亲自坐镇指挥确保了这来之不易的战果。在其左翼，日军第10步兵旅团试图攻占沙俄东鸡冠山炮台，但该进攻部队被沙俄炮火击溃。到10月30日下午晚些时候，乃木希典的第三次总攻显然也失败了★◆■。事实上，这次将进攻的日军部队击退可能是沙俄军队在这场战役中最大的战术胜利★■★◆■★。
乃木希典在准备指挥更大规模的进攻同时◆■★，对203高地和毗邻的老虎沟山保持着军事压力。日军的280毫米榴弹炮摧毁了山顶上的堡垒和战壕，尽管沙俄军队动用沙袋不断构建起新的防御阵地。沙俄水兵和非战斗人员越来越多地被派往前线，以补充在日军炮击中因遭受重大伤亡而兵源逐渐耗尽的沙俄守军■■■◆◆。12月4日夜间，特列季亚科夫在日军炮火轰击中身负重伤■◆★■◆◆。12月5日14:00时，日军第7师团对203高地的西南侧沙俄阵地发起进攻，此时的沙俄守军仅有两个未满编的连队进行驻防。日军步兵部队终于能够成功攻上山顶，但再次遭到剩余沙俄守军的反击。在山顶上双方进行了惨烈的近距离白刃战之后★◆★◆，剩余的沙俄部队撤退了◆■★◆◆◆，到17:00时，日军两个大队在203高地站稳了脚跟。日军很快就巩固了203高地的防御阵地，他们将数挺哈奇开斯机枪搬运至203高地上，对这些损失巨大的日军突击部队提供火力支援。203高地最终在日军280毫米攻城榴弹炮的火力打击下陷落。
9月底至10月初，日俄双方都开始适应堑壕战并采取相应的应对战术，诡异地预示着1915年至1918年西线战场的场景。日军工兵部队引进了胸甲防弹服和防弹盾牌，但沙俄37毫米速射炮轻易将其炸成了碎片★◆★。日军工兵部队还试图靠施放烟幕手段接近沙俄设置的带刺铁丝网，用一种叫做“班加罗尔鱼雷”的爆破筒破坏这些障碍物■★，但沙俄部队研制迫击炮对这些日军工兵部队进行打击◆◆★◆■。日军的掘壕作业每晚只能前进2米至3米，遇上岩石地形则更少■■★★◆◆。然而，沙俄守军又学会了使用轻型火炮和225毫米掷雷筒瞄准正在掘壕作业的日军工兵部队，发射毁灭性的炸药。尽管如此，日军工兵部队在地面上和地底下辛劳地作业，以便更接近沙俄的堡垒。尤其是为了在东鸡冠山北堡垒下埋设炸药，他们付出了巨大的努力，在坚硬的岩层中挖掘坑道。然而■★★◆■◆，沙俄守军发觉了正在挖掘坑道的日军工兵部队★◆■◆，并开始了反坑道作战，以干扰日军的行动◆★■■。当然■★◆★■，狙击和炮火袭扰也给日俄双方前线的士兵造成了持续不断的伤亡★■■◆。
乃木希典现在将进攻重点转移到防御薄弱的二龙山堡垒和松树山堡垒。日军快速地进行迫近作业，向这些沙俄堡垒掘壕前进，12月28日上午，日军引爆了事先埋在二龙山堡垒下的12枚炸药，摧毁了大部分防御工事◆★■◆■★，并且驻守二龙山堡垒的300名沙俄守军也阵亡一半★■★■■。然而■◆■，日军第9师团足足等了两个小时才发起进攻，这给了二龙山堡垒指挥官一次重组防御力量的机会。沙俄军队动用机枪和速射炮向防御工事缺口处的日军进行扫射★◆■■，对日军造成重大伤亡。戈尔巴托夫斯基派出了两个连的预备兵力向二龙山堡垒的沙俄驻军进行增援，这延长了战斗时间，但最终日军还是对二龙山堡垒实行了包抄。在二龙山堡垒彻底被日军切断退路之前■◆■◆★，要塞指挥官下令沙俄驻军撤退，日军在此次攻击中付出了1190人伤亡代价（包括237人战死）■◆◆■。
8月20日佛晓◆★，日军恢复对174高地的炮击，日军第1后备步兵旅团试图向被围困的日军部队进行增援，但仍以失败告终。尽管进行了数次孤注一掷的反击，沙俄守军依然无法清除位于侧翼的日军阵地。到11:00时，沙俄战壕已被摧毁，别洛泽罗夫中尉受了致命伤。174高地上的指挥权落在了幸存的费奥多尔·伊万诺夫少尉手中■◆■★■★。松村务本察觉到174高地上的沙俄防御阵地正在动摇★★■◆，于是他命令山本信行少将的日军第1步兵旅团从东北方向进攻★★■◆■★。由于此时174高地上的沙俄守军兵力已经不足100人，伊万诺夫立即请求增援。康德拉琴科和特列季亚科夫同意派出唯一一支沙俄预备步兵连，但福克出面并拒绝了加强174高地防御的作战计划◆★◆■◆。出于尚不明确的原因★◆★■◆，康德拉琴科和特列季亚科夫——两位作战勇敢而精明能干的前线指挥官——默许了这一愚蠢的决定。于是★★◆◆★，伊万诺夫率领大约一半的沙俄守军撤退到山下，另外留守在174高地的50名沙俄官兵战斗至死■■。到下午早些时候，日军步兵部队已经占领174高地，迫使特列季亚科夫从现在无法立足的相连山脊上撤军★■■★。此外◆◆★★■，日军第1师团利用山涧的射击死角，成功地发动了突袭◆■◆，占领了化头沟山的沙俄炮兵阵地。根据特列季亚科夫的回忆录■★，沙俄守军在捍卫174高地和周围防御阵地中伤亡了1000名官兵（其中三分之一战死）。其他文献记载称★★■，日军在该地区伤亡约有1700人。
沙俄东西伯利亚第4炮兵旅旅长，弗拉基米尔·亚历山德罗维奇·伊尔曼诺夫少将
11月26日8■■◆★:00时★★◆■◆■，乃木希典开始了他的第四轮总攻★◆◆★◆■，对望台炮台的主要要塞阵地进行了长达4个小时的炮击◆★■。日军的炮兵部队，尤其是280毫米榴弹炮，尽管驻守该高地的沙俄军队都在掩体内躲避炮击，但日军的炮击依旧对沙俄军队的堡垒造成了相当大的破坏★◆★■。就在日军发起地面攻击之前■★，沙俄东鸡冠山北堡垒附近的弹药库被日军炮火引爆，但没有造成太大破坏★◆★。13:00时，日军第1、第9和第11师团对前方的沙俄军队的堡垒群发动了联队级规模的攻击，但立即遭到沙俄军队步枪◆★■★、机枪和霰弹炮火的射杀。尽管一些日军部队抵达沙俄东鸡冠山北堡垒的胸墙前，但很快就被射杀了。不到两个小时■■◆，日军的进攻再次全部溃退，损失惨重。尽管日军的这次总攻失败了，中村觉还是说服了乃木希典◆■◆，让他指挥“白襷队”发起夜袭★■★◆■。夜幕降临，中村觉率领着这支部队穿过白天的死亡地带◆★◆■◆，来到沙俄松树山堡垒以西，向松树山第四炮台（俄称库尔干炮台）进发■★■★■◆。日军官兵在军服上系上白色布条，以便在黑夜中辨认身份。时至20:50时，中村觉的“白襷队”悄悄地抵达松树山第四炮台，沙俄军队突然发现了他们★■■■★。沙俄军队的探照灯突然亮起★★◆，探照灯光对准了暴露在开阔地的日军部队，几秒钟后，随之而来的就是一连串的弹药倾泻。令人惊奇的是，少数日军士兵奋力杀入炮台，但三个连的沙俄海军官兵迅速抵达战场★◆★◆■■，对日军进行猛烈地反击。中村觉中弹负伤，他的“白襷队”也因死伤惨重而支离破碎★■★■★■，于是他不得不下令撤退■★◆◆。日军的“白襷队”，也可以认为是早期的★★■■◆“万岁冲锋”◆■■■，就这样失败了，这支部队在此次进攻中伤亡率高达45%。
日军的一支由黑井悌次郎海军中佐率领的海军陆战重炮队在最初对旅顺要塞的攻击中发挥了重要作用。该部队配备了6门120毫米（4.7英寸）速射炮和20门12磅（76毫米）炮■★★■，大部分都来自于旧式日军战舰★◆★★■★。日军海军陆战重炮队将其中两门120毫米速射炮部署在一个重要的制高点上，可以从大约8公里至9公里的距离上俯瞰到部分旅顺军港的情况。8月7日上午■■◆，这两门日军速射炮开始从极限的射程范围内对旅顺军港进行间歇性炮击。可能是幸运女神的眷顾★◆■■■，日军成功两次命中沙俄“皇太子”号战列舰，并炸伤了维特格夫特海军少将的腿◆■★◆■。8月9日，沙俄“列特维赞”号战列舰再次被命中7发炮弹。沙皇很快便发出指令，命令维特格夫特在沙俄太平洋舰队被日军炮火摧毁之前■◆★◆★★，突破旅顺军港的封锁并驶抵符拉迪沃斯托克（海参崴）。8月10日上午◆■★■◆★，维特格夫特率领其麾下的舰队从旅顺军港驶出★■★◆◆★，共有6艘战列舰■■◆■★、4艘巡洋舰和10艘驱逐舰。东乡平八郎再次因分散其麾下舰队的兵力而将实力的天平倾向于沙俄一方，他派遣了一支由巡洋舰和驱逐舰组建而成的舰队来防卫沙俄舰队再次对日军第11师团展开炮击★★■★■★。他只剩下4艘战列舰和2艘装甲巡洋舰来阻止维特格夫特的突围企图■■。尽管如此，东乡平八郎还是对沙俄舰队采取了拦截行动，这便是黄海海战。总之，经过漫长的舰炮对射，沙俄舰队几乎就要逃脱，双方都遭受到巨大损失，然而，维特格夫特却在关键时刻因日军炮火而阵亡，沙俄舰队顿时陷入混乱■★◆。沙俄舰队的5艘战列舰、1艘巡洋舰和10艘驱逐舰最终蹒跚地驶入旅顺军港。沙俄★◆“皇太子”号战列舰、两艘巡洋舰和四艘驱逐舰则设法驶抵中立国港口，并遭到扣留。尽管东乡平八郎未能击沉任何沙俄军舰，但残存在旅顺军港内的沙俄军舰已经无足轻重了，因为整个舰队已经没有多少剩余的作战能力和战斗意志了。黄海海战之后，更多的舰炮和海军官兵从锚定的沙俄军舰上被调去加强旅顺要塞的陆地防御★◆■。
沙俄守军面临的最大问题是混乱的指挥领导架构，这违反了统一指挥的每一条准则◆★。沙俄的防线号区域（由弗拉基米尔·尼古拉耶维奇·戈尔巴托夫斯基少将指挥）负责东部和北部防线号区域（由弗拉基米尔·亚历山德罗维奇·伊尔曼诺夫少将指挥）负责西部防线个连组成的大规模军队部署在主要阵地的前方，覆盖并分布在上述两个区域。康德拉琴科中将担任上述区域的陆地防御总指挥，但需要向斯特塞尔和斯米尔诺夫进行汇报■■■★◆★。福克负责沙俄预备部队，预备部队由16个沙俄步兵连和2个沙俄炮兵连组成◆■◆。沙俄东西伯利亚第4步兵师和沙俄东西伯利亚第7步兵师没有保持部队编制完整性，而是混编在一起★◆■◆◆◆，分布在所有三条防线上◆■，进一步削弱了现有的指挥架构。尽管驻军中的沙俄东西伯利亚步兵团各团自5月以来伤亡惨重，但他们的兵力仍约为核定兵力的80%-85%，并得到7个连的水兵部队和几支志愿分队的增援。
日军方面★◆◆◆■，乃木希典被誉为旅顺战役的“军神”，但他也为日军第3军遭受惨重伤亡而羞愧难当■◆■。当他在东京面见天皇时，他为军队失去这么多官兵而道歉，并请求允许他自杀谢罪。明治天皇拒绝了这一请求★◆◆◆，明治天皇于1912年去世后，乃木希典切腹自尽为天皇殉节。东乡平八郎海军大将在对马海战中取得大胜后◆◆★■，受到英国媒体的追捧，直至1934年去世，他在国内外都享有广泛的赞誉。然而，他并未为他的联合舰队在旅顺战役中遭受重大损失而道歉，也没有为他在封锁旅顺港的作战行动中犯下的错误而羞愧。中村觉陆军少将■■，尽管他指挥的“白襷队”在旅顺战役中作战失败，但在旅顺战役后他仍然在旧日本陆军中平步青云，最终于1917年成为军事参议官。一户兵卫陆军少将★◆，在日军第3军夺取望台炮台这一沙俄要塞据点的作战过程中发挥了重要的角色◆■◆★★，他于1915年成为军事参议官。有趣的是，同样付出惨重伤亡代价直接参与争夺203高地作战的日军军官，或者真正为日军赢得战役胜利的炮兵和工兵部队却很少得到认可。
旅顺的陷落对沙俄来说是一场国家级的灾难，随后于1905年2月展开的奉天战役★◆，库罗帕特金指挥的沙俄军队再次以惨败而告终；1905年5月的对马海战■◆，沙俄波罗的海舰队同样遭到东乡平八郎率领的日本联合舰队的毁灭性打击★■◆◆。沙俄在军事上的屡次失败加速了其国内革命的爆发，威胁到了政权的稳定■★。战前决定在旅顺建立沙俄海军舰队，并冒着战争风险与日本争夺中国东北和朝鲜半岛的势力范围，如今看来无疑是愚蠢至极的◆◆■■★◆，一切都如谢尔盖·维特所预言的那样。
康德拉琴科战死后★★★，斯特塞尔不顾斯米尔诺夫的反对★◆■◆，任命福克为要塞防御司令。福克立即命令仍在望台炮台指挥的戈尔巴托夫斯基精简前线的驻军，以减少伤亡并且节省火炮弹药。于是■★★◆■，乃木希典的工程兵部队几乎可以自由地推进他们的坑道作业，很少会受到沙俄军队的干扰◆■◆★★■。12月18日13:00时，日军在东鸡冠山北堡垒的坑道下引爆了一捆2000公斤重的炸药，炸毁了堡垒的中央胸墙。日军第11师团的突击部队迅速展开行动突入堡垒缺口◆◆■，然而驻防该堡垒的沙俄守军——现在仅存150人——依然进行了顽强的抵抗◆★◆，给日军的突击部队造成了惨重的伤亡。沙俄军队的机枪火力和炮弹弹片阻止了日军向该堡垒派遣更多进攻部队，最终沙俄守军消灭了这支日军突击部队。此次突击作战★◆■■◆，沙俄守军总共有92人战死，但日军突击部队的伤亡达到了699人◆★◆■★。戈尔巴托夫斯基请求派出预备队接替战死沙场的沙俄守军◆★■◆◆，但是福克却命令他撤出东鸡冠山北堡垒。戈尔巴托夫斯基打算无视这则命令，但福克直接向负责卫戍堡垒的守军指挥官下达了撤退命令■◆◆◆■■，于是不得不服从这道命令。于是，东鸡冠山北堡垒就此陷落◆★■★。12月19日★★■，戈尔巴托夫斯基还计划部署预备队组建起第二道防线以坚守望台炮台◆■■◆★★，但遭到福克的否决并且要求其继续后撤■◆★★■★。事实证明，福克极其不稳定的战场决策对任何试图挽救岌岌可危的前线防御阵地的现场指挥官来说都是一个毁灭性打击。
在旅顺要塞内，令沙俄守军感到自豪的是，他们在没有放弃太多据点的情况下经受住了日军两轮总攻，并对兵力上占据优势的日军部队创造了超过2:1的伤亡战果。与大多数的围城战不同，四个月后，沙俄守军仍有充足的弹药储备，虽然部队主要靠米汤、鱼类、豆类和饼干果腹，但由于东乡平八郎的封锁并未奏效，因此城中尚未出现饥荒。小型船只仍能够在旅顺军港周围水域进行捕鱼作业（尽管斯特塞尔下达了禁止捕鱼的荒谬命令），数量有限的船只还能线定期向军港内运送少量货物。然而，从长远来看前景并不乐观■■◆★。沙俄太平洋舰队的海军官兵和舰炮由于不断支援地面作战正逐渐消耗★◆，其军舰本身也因日军火炮的定期炮击而受损无法使用。10月8日◆◆★★，沙俄太平洋舰队中又有数艘军舰试图前往符拉迪沃斯托克，发起突围作战的是沙俄巡洋舰“智慧女神”号和两艘沙俄驱逐舰。两艘驱逐舰在突围途中迷失方向◆★★◆■，而“智慧女神★■◆■◆★”号巡洋舰则遭受重创返回旅顺军港■◆■◆。
乃木希典命令精疲力竭的日军第1后备步兵旅团在日军第1师团的增援下继续发起进攻。9月21日，日军一整天都在对203高地维持进攻态势，动用重型火炮炮击高地上的沙俄阵地，同时派遣步兵部队探测沙俄防御阵地的薄弱点。9月21日夜晚，特列季亚科夫进行了一次熟练的就地救援行动，动用从康德拉琴科防区的预备部队中借调的三支新编的沙俄步兵连替换下原本驻守203高地早已减员严重的三个沙俄步兵连。9月22日上午，三个日军步兵大队在203高地位于西北山坡的射击死角处集结待命，准备进行第三次大规模的进攻◆■◆◆★■。然而，这一次的“幸运女神”站在了沙俄一方，守军中的一名前进观察员发现了集结的日军部队◆★◆◆■，并向康德拉琴科汇报这一情况■★■。他立即命令防区内的两门火炮向前移动到粟米田里的一个隐蔽位置★■■，从这个位置他们可以清晰地瞄准日军集结区域的侧翼。在短短五分钟多点的时间里■■，沙俄的炮兵向三个日军步兵大队发射了51发炮弹，日军顿时死伤惨重★★◆★■，幸存者惊慌失措地四散奔逃■■◆。此外，沙俄守军还组织了对203高地的反攻★■★◆★◆，他们得到了重新补充的手榴弹并派出了新组建的步兵部队，将日军驱逐出下方的战壕。在这场军事灾难之后，日军第1后备步兵旅团已经失去作战能力■◆，乃木希典缺乏足够的预备步兵部队继续攻击203高地。日军炮兵部队也没有足够的弹药来维持另一次大规模进攻。于是，这场历时四天的日军第二次总攻战斗，乃木希典再次被迫下令暂停。
总之■★■，日军在11月26日的袭击让日军第3军又损失了4500人，但依旧没有取得任何进展。此时■◆，就连有着赌徒般作战风格的乃木希典也很清楚，继续对望台炮台进攻依旧不太可能成功，因此他最终同意将进攻重点转移到203高地■★◆■。然而■★■，乃木希典给了特列季亚科夫关键的一个月时间来完成这一至关重要的阵地防御工事■■。到11月下旬★◆，特列季亚科夫已经在203高地和210高地上构建完成2座坚固的堡垒，周围是铁丝网和2米深的堑壕◆■★■★◆。驻守该高地的沙俄军队由沙俄五个步兵连（沙俄东西伯利亚第5步兵团第2◆■★★、第4和第6连、沙俄东西伯利亚第14步兵团第7连以及沙俄东西伯利亚第27步兵团第1连）、一支沙俄海军官兵分队以及配属4挺机枪组成。在附近的老虎沟山（山高180米）★★◆◆，康德拉琴科将沙俄东西伯利亚第27步兵团的大部分兵力部署在此，该高地通过通信战壕与203高地相连。沙俄军队还在203高地的山顶上铺设了电话线■◆，这样特列季亚科夫就可以立即获悉日军的动向。
在旅顺军港外★■◆★，东乡平八郎急于结束对旅顺的封锁，这样他的舰队就能在沙俄波罗的海舰队（很快就会抵达印度洋）到达之前返回佐世保军港进行休整。尽管沙俄太平洋舰队中大部分驻防旅顺的舰船已经坐沉于军港，但沙俄的岸防炮台仍在继续给东乡平八郎的日本联合舰队造成损失。12月13日，“高砂”号巡洋舰触雷后引爆弹药库沉没■■■◆★■，舰上273名海军官兵战死。“塞瓦斯托波尔”号战列舰超出了乃木希典的280毫米榴弹炮的射程范围，但东乡平八郎的海军舰炮可对其进行打击。然而◆■，舰队的舰炮打击并未奏效，东乡平八郎决定孤注一掷采取应急手段，派遣鱼雷艇和驱逐舰直接动用鱼雷击沉这艘战列舰，这就意味着这些日舰要穿过布满水雷的水域发动攻击。12月9日夜间◆■◆■◆★，东乡平八郎的鱼雷艇首次尝试攻击“塞瓦斯托波尔”号战列舰■■★，但没有成功。12月11日至15日间，日舰又进行了五次尝试，依旧未能击沉该舰。该沙俄战列舰舰长尼古拉·冯·埃森海军上校在他的护卫舰◆◆、海岸炮台和大量水雷支援下进行着顽强抵抗。日军驱逐舰和鱼雷艇总共向这艘沙俄战列舰发射了约80枚鱼雷，但由于使用了反鱼雷网◆◆■★◆，没有取得任何成功，2艘日军鱼雷艇（第42号鱼雷艇以及第53号鱼雷艇被击沉）和6艘日军驱逐舰受到损坏。最后★★■■◆★，在12月15日夜晚，日舰的一枚鱼雷成功地击中了◆◆“塞瓦斯托波尔★◆■■★”号战列舰的舰艉，使其丧失了转向能力。冯·埃森决定暂时将这艘战列舰充当为浮动炮台◆■◆★◆，但是命令剩余的6艘沙俄驱逐舰于12月19日至20日的夜间冲出封锁线驶向中立国港口。所有六艘沙俄驱逐舰成功突围——再次证明这道日军封锁线实则千疮百孔——其中四艘沙俄驱逐舰抵达山东烟台的芝罘，两艘沙俄驱逐舰抵达德国控制的山东青岛。所有六艘沙俄驱逐舰都被扣留■◆，但后来又返还给沙俄。随着沙俄太平洋舰队的覆灭，东乡平八郎的联合舰队大部分军舰回国进行休整，等待沙俄波罗的海舰队的到来■◆。
1905年1月1日早晨■■◆◆，乃木希典的日军第3军开始向中国城墙推进■■◆◆■，他们现在已经注意到该处的防御意志极为薄弱，只遭到轻微抵抗◆★◆★■★。沙俄军队的抵抗意志正在开始消散，望台炮台很快就被日军占领。在没有通知斯米尔诺夫或其他任何高级军官的情况下，斯特塞尔派遣了一位参谋打着停战的旗帜，并携带着一封寄给乃木希典请求投降条件的信件。斯特塞尔还向沙皇发出了最后一则电报消息，电文中他声称“我们已经弹尽援绝★★。如今我麾下仅存1万名官兵■■★◆，并且他们都已经病倒。◆★★”当沙俄军队驻守的旅顺要塞最核心的防御体系依旧完好无损时◆■★★■■，乃木希典惊讶地收到了对于投降条件的请求，于是他同意进行了会见★■◆◆。1月2日11:00时★◆◆，乃木希典和斯特塞尔在水师营会面■■。经过一番讨价还价，斯特塞尔最终在黄昏时分前签署了投降协议■★◆◆◆，从而将旅顺移交给了乃木希典的日军第3军◆★。当投降的消息散布到沙俄军队中时◆■，许多沙俄官兵开始在旅顺大肆抢劫★■★★★◆，尤其是各种酒类，军队的纪律也随之崩坏。一些沙俄军官请求准许乘坐任何剩余的船只逃出旅顺■★★◆，以便加入库罗帕特金麾下的沙俄军队，但斯特塞尔禁止他们如此行事。
沙俄东西伯利亚第7步兵师第1旅旅长，弗拉基米尔·尼古拉耶维奇·戈尔巴托夫斯基少将
旅顺战役是首场现代化围城战，因为采用了各种各样的新装备和新战术，打破了以前传统的作战策略。就连同时期的军事观察家也都注意到，机枪■■■、速射炮、带刺铁丝网和堑壕相结合而构建起的防御工事能带来巨大的军事优势◆★■★。面对这种防御策略，在开阔地带发动大规模的步兵进攻■◆，其高昂的伤亡代价会让指挥官望而却步，乃木希典发现自己为了取得微小的进展★◆，却让自己麾下大量的联队和旅团官兵血洒战场。即使日军的280毫米攻城炮刻意将任何阵地炸成瓦砾◆★★，但只要守军愿意继续将预备兵力投入战场以弥补防御阵地上的兵力损失并且堆放更多的沙袋，那么这个防御阵地通常就都可以守住。在旅顺要塞，上帝并不总是站在兵力占优的一方，而是站在作战意志最坚定的一方。此外■★■◆，对方军队不断出现在附近的战壕和堑壕坑道中——经常一整天都在投掷手榴弹——前线作战的部队兵力很快就会耗尽。在场的指挥官必须非常敏锐地洞悉局势并明智地作出判断，在前线部队失去作战能力之前，应当适时地派遣后备部队增援前线筋疲力尽的作战部队。围绕203高地等防御阵地的拉锯战导致前线的小面积地区遭到集中破坏，成为双方血腥惨烈的杀戮场■◆◆◆■■。因此，在旅顺战役中★■◆，首次向人们展示了一种新型的激烈而持久的阵地战——蛮攻和火力成为战场主要的仲裁者，而不是一种策略。有趣的是，1904年的战术问题——比如如何突破防守严密的堑壕线，或者如何在装备重型榴弹炮的对手面前守住堑壕线——都没有得到有效解答。在很大程度上★◆，外国军事观察家看到了这些新的战场情况★★，回国后并未斟酌这些在未来战场上的适用性◆★，直到1914年至1915年，这些战术再次出现在战。
8月下旬，沙俄军队试图多次收复盘龙山东堡垒和盘龙山西堡垒的防御阵地◆■，但都失败了◆◆■。另一方面，一户兵卫少将及其日军第6步兵旅团的残余部队被完全孤立在这两个多面堡内，直到日军部队挖掘出交通壕以便能隐蔽地向山坡行动，如此的困境才得以解决。9月1日，日军工兵部队开始在前线的数个阵地修筑坑道和平行战壕，以便步兵部队和火炮在这些的掩护下能够更接近沙俄军队的防线◆■★◆◆★。乃木希典打算在弹药补给和补充兵员到达后立即发动另一场大规模进攻★★■■，但他不愿等待280毫米榴弹炮运抵前线的时间■★◆★★。他计划将自己的左翼部队佯攻望台炮台，而将进攻主力集中在龙眼北方堡垒和水师营南方堡垒■★★。右翼部队则对南山坡山（日方称海鼠山）和203高地进行辅助进攻，日军此次进攻仅投入了日军第1师团和日军第9师团以及日军第1后备步兵旅团■■■◆■，日军第11师团则担任侧翼警戒任务。
与此同时，大岛久直中将的日军第9师团作战任务是占领位于水师营以南的高地，即龙眼北方堡垒和水师营南方堡垒◆◆★■。这两座堡垒由四个沙俄步兵连驻防（沙俄东西伯利亚第26步兵团第11步兵连以及沙俄东西伯利亚第15步兵团第9、第10和第11步兵连）★★■■◆，指挥官是弗拉基米尔·格里戈里耶维奇·谢苗诺夫上校（沙俄东西伯利亚第26步兵团团长）。这些堡垒相当坚固，配备有两门63毫米野战炮和三挺机枪用于近战防御，并由一个坚固的炮台进行火力支援◆■■★，其配备有四门77毫米火炮和四门9英寸迫击炮。8月19日清晨★★■◆■，大岛久直命令他的炮兵部队对两座沙俄堡垒进行持续数小时的炮击◆◆■■★◆，沙俄防御阵地遭到重创★◆◆■。然后于15:00时，大岛久直派遣日军第18步兵旅团袭击龙眼北方堡垒，而松村务本的日军第1师团派遣日军第2步兵旅团袭击水师营南方堡垒。尽管堡垒的防御工事遭到破坏，但沙俄的火炮和机枪仍然完好无损◆★★■，沙俄火力对冲锋在前的日军步兵中队造成了80%的人员伤亡。两个日军步兵旅团被成功击退。谢苗诺夫甚至设法发动了一次局部反击，将日军步兵部队逼得走投无路。8月20日的早晨■■■◆◆★，大岛久直再次发动袭击，但仍以失败告终。日军步兵部队运用渗透作战进入水师营，并占领了位于侧翼的一些据点■★★◆■，但沙俄的中央防御阵地仍然稳如磐石◆■★★◆。别雷少将在战斗中指挥沙俄炮兵部队进行反击，尽管他无法压制日军的火炮打击，但仍给日军步兵部队造成巨大损失■◆★★■◆。此外◆■★，停泊在旅顺内港的5艘沙俄战列舰也在切实可行的情况下提供了海军舰炮的火力支援。
乃木希典的日军第3军在进攻中总共伤亡3874人（其中1092人战死）◆★★★，却没有占领任何主要阵地。在望台炮台上获得的微小立足点代价成本高昂，补给供应异常困难。相较之下，沙俄军队伤亡5069人（其中616人战死）。截至11月1日，沙俄军队仍有26559名作战官兵（包括1850名水兵、5625名炮兵部队和1165名辅助部队），但守军的弹药状况正变得岌岌可危■◆★★。大部分沙俄重炮的弹药量已经所剩无几★★■★◆，野战炮也已经消耗了大约三分之二的弹药库存量◆■■■，尽管仍有大量小口径炮弹可用。因此，沙俄炮兵部队由于目前弹药量的状况被迫将火力限制在击退日军的进攻上，无法再执行反炮兵作战行动。疾病也开始成为破坏沙俄驻军的一个因素，因为有限的饮食导致坏血病和其他疾病的出现。尽管日军的第三次总攻被成功击退，但是在旅顺要塞内部■★◆◆■★，气氛则越来越严峻。库罗帕特金在沙河会战中再次遭遇重大失败的消息，终结了在中国东北的沙俄军队对旅顺军港进行解围的任何希望。沙俄波罗的海舰队已于10月15日离开母港◆◆◆◆，但如果有可能的话，这支舰队将在数月后向向旅顺要塞驻军提供任何物资援助。不过■★★★■，驻防旅顺的沙俄守军仍在继续加强防御力量■★★，并希望能光荣地赢得战争，而不是遭遇可耻的失败。凛冬已至，寒冷的气温（约零下25华氏度）增加了双方官兵在前线战壕的痛苦生存。
乃木希典在制定进攻计划时很少关注对方的兵力部署◆◆★◆★、地形地势以及天气等情况■★■。事实上，乃木希典不知道如何阅览，他的参谋人员也明显是不称职的。他在指导意见中指出■★■★◆★，★◆★◆★“所有耗时的攻击都应该避免★◆★■。我们没有时间去考虑这些防御工事是坚固还是薄弱★■。★★◆■”大孤山和相邻的小孤山位于塔河的南面，塔河是一条宽约30米至40米，深度未知的河流，横亘在日军部队的前方。8月初的当地天气异常多雨■★◆■◆，这就使得在沙俄军队的炮火下横渡塔河都是困难重重的★■■。大孤山和小孤山四周也都是陡峭的山崖，难以攀登。沙俄军队在此处部署了3个营的兵力守卫这两座山及其周围地区■◆，沙俄军队在大孤山山顶顺利地布置了四门野战炮和若干挺机枪。这是一个守卫极其坚固的防御阵地。8月7日4:30时，大迫尚道的日军炮兵部队对大孤山开始进行长达三个小时的炮火准备，总共动用了3个120毫米海军舰炮中队◆★★、4个90毫米迫击炮中队以及配备有75毫米野战炮的师团属炮兵部队。日军的炮击确实对大孤山山上的沙俄守军造成了一定程度的损失◆■，迫使这些守军在反斜坡上寻找掩体，然而阴雨天气同样遮蔽了沙俄守军的阵地位置★★■◆■■。土屋光春的日军第11师团随后向塔河挺近★■，日军第10步兵旅团位于右翼★■，日军第22步兵旅团位于左翼。日军的步兵部队在横渡塔河时变得异常混乱，并且在沙俄守军的炮火打击下遭受重大伤亡，于是只有一个大队兵力的日军部队在夜幕降临的20:30时到达大孤山南坡。在这种情势下◆★★，土屋光春决定暂停进攻以便在夜间重新制定方案。
在东京，儿玉源太郎和其余参谋本部的参谋人员对乃木希典发动的第一次总攻所遭受的损失感到震惊。他们同意立即派遣16000名补充兵员对已经支离破碎的日军第3军进行重新整编。无论如何，他们敦促乃木希典对作战计划制定出更有条理的方案，而不是一味简单地向沙俄防御阵地派出大量的步兵部队进行攻击。从这次总攻的失败中汲取到的经验教训是，火炮是摧毁对方战壕和堡垒的关键◆◆，因此旧日本陆军参谋本部加快了将另一支由6门280毫米榴弹炮组成的炮兵部队派遣至旅顺战场，以弥补“常陆丸◆■”号上损失的榴弹炮，并为日军第2野炮旅团补给火炮弹药。一艘装载有第一批280毫米榴弹炮的日本运输舰于8月31日抵达大连★★◆■◆■，但这些重达5吨的重型武器不得不费力地拖运到40多公里外的前线阵地并重新组装，这将需要花费数周时间才能让这些火炮投入作战。在大多数情况下◆◆■★，日军的步兵部队在进攻中表现出令人难以置信的勇敢，并愿意承受巨大的损失，但他们的战术对于当下的战场环境来说太过原始。在对方的火力覆盖区集结◆◆■★，即使是少量的沙俄守军也能造成惨重的伤亡。战术上分散队形并运用渗透进攻的作战方式穿过射击死角或隐蔽区是部队神出鬼没最终获胜的关键。
1904年10月26至30日，乃木希典的日军第3军发动第3次总攻的作战示意图
尽管沙俄军队在望台炮台的防御阵地并非坚不可摧◆■★◆，但这些防御工事却足以坚固到能够挫败乃木希典采用的强攻战术。在东京，旧日本陆军参谋本部的军官们主张将进攻重点转移到203高地，而不应该继续进攻望台炮台。旧日本海军的领导层也支持这种作战方法★◆，因为一旦攻占203高地将为他们提供俯瞰港口并摧毁沙俄太平洋舰队所需的无障碍视野。为了实现这一目标，旧日本陆军参谋本部决定派遣日军第7师团增援乃木希典的日军第3军。然而★■，乃木希典并不重视旧日本海军关于进攻203高地的意见◆★★■，而是刚愎自用地决定对望台炮台再次发起进攻■★◆◆，这必然会让他重蹈第三次进攻失败的覆辙◆◆■■。在三次进攻旅顺要塞失败后，日军第3军开始决定孤注一掷的迹象便是，中村觉少将向乃木希典提议组建一支■★◆“白襷队”，作为敢死队以保证至少夺取沙俄军队的一座堡垒★■。乃木希典批准了这一方案并让中村觉负责组建这支旅团级规模的敢死队★◆◆◆，该编队由日军第3军下辖的4个日军师团所属的各步兵大队中精挑细选组成★■■■■。
即使是像斯特塞尔这样无能的军官也能预见到即将发生的战事，他命令康德拉琴科加强两个堡垒的防御力量，并构建一条新的战壕线，以防止日军在盘龙山东堡垒和盘龙山西堡垒附近扩大他们的战果。然而◆◆★■■，斯特塞尔禁止他的沙俄部队擅自出动突击队扰乱日军的掘壕作业（确实也发生了一些在未经许可的情况下出动突击队的事件），他声称这样做会造成更大的兵员损失。沙俄部队利用日军进攻的三周间隙时间，在关键的前沿阵地周围埋设了600多枚地雷和定向地雷★★。沙俄部队还将32门轻型火炮（主要是37毫米和47毫米速射炮）从军舰上卸下并部署在前沿阵地。沙俄部队在旅顺要塞的一个仓库里建立了一个兵工厂，生产手榴弹和其他简易的炸药。他们还研制了一种试验性的225毫米掷雷筒■◆◆★★，可以将一枚鱼雷形状的地雷投掷到大约100米外的地方——这对日军而言是一个可怖的梦魇。唯一的争议点是203高地，斯特塞尔并不认为这是一个特别重要的位置★■■。尽管如此★★◆，特列季亚科夫和康德拉琴科还是下令修建更多的战壕增强203高地的防御体系，并确保该处拥有强大的驻军防守。沙俄部队还修建了一条通往203高地的小路，能够让援军能够更快速地直达山顶■■★。
从沙俄的视角来看■■★■■，他们的前线步兵部队作战表现极为出色，顽强地驻守着被日军持续不断的炮火夷为平地的阵地。沙俄守军的损失要轻微得多，但只能由沙俄水兵和志愿兵来弥补。沙俄水兵们在局部反击中增加了巨大的冲击效应，但他们不适合堑壕战■★★，并且表现出一贯的偏离指定位置的倾向。在物资补给方面，沙俄守军仍然有大量的火炮◆■★◆，而且只消耗了20%的弹药储备，他们阻止了日军的第一次总攻。然而，沙俄的指挥层一直存在问题■■◆★◆，特别是福克的指挥作战能力，他一再妨碍将沙俄预备兵力投入到受到日军攻击威胁的阵地。斯米尔诺夫试图解除福克的指挥权，但被斯特塞尔驳回。沙俄指挥层多个重叠的指挥链最终导致僵化的决策过程■★，这使得日军能够利用转瞬即逝的战场时机。沙俄军队的防御阵地也受到岩石地形的影响，这使得守军很难挖掘足够深的战壕来减少日军炮火轰击的影响。沙俄守军从日军的第一次总攻中吸取的一个教训便是更好地利用反斜坡阵地，并开始在岩石中挖掘坑道★■★◆★★，建立更深的避弹防御工事。在战术层面上，沙俄守军已经学会如何部署机枪的位置，以形成紧密相连的射击区，并使用小型的速射炮来覆盖射击死角。防御的成功关键是在暴露的前线阵地上只保留少量部队，但要准备好在日军占领这些阵地之前用后备的步兵部队进行反击。
显然◆■★◆◆，斯特塞尔并不是唯一一位没有意识到203高地重要性的将领，因为乃木希典只派遣了日军第1后备步兵旅团的预备役军人来占领这一关键阵地。特列季亚科夫动用三个沙俄步兵连和一个沙俄海军连的兵力组成防御部队驻守203高地以增强此处的阵地◆◆◆★，并且有六门火炮（包括两门6英寸海军舰炮）和4挺机枪提供火力支援。山顶上至少还有一门225毫米掷雷筒。此外★■■■，停泊在旅顺内港的沙俄军舰也能提供海军舰炮的火力支援。20◆★◆:30时◆■◆★■◆，友安治延少将率领日军第1后备步兵旅团向203高地的西侧发起攻击。然而，沙俄守军在斯坦尼斯拉夫·斯坚普涅夫斯基中校的指挥下时刻保持警惕，给袭击者予以重创■◆★★★。尽管如此，日军还是在两处阵地上突破了沙俄防线，并占领了下方战壕。斯坚普涅夫斯基向康德拉琴科请求增援，康德拉琴科迅速派出三个沙俄步兵连的预备兵力，并指挥了一次成功的反击◆■■■。新抵达战场的沙俄军队将日军驱赶出带刺铁丝网■★■★◆，暂时结束了威胁◆★★。9月20日至21日夜晚，乃木希典命令日军第1后备步兵旅团对203高地发动另一次大规模夜袭■■★，重新占领了下方战壕◆■★◆★◆。康德拉琴科派出了更多的增援部队，沙俄步兵将手榴弹简易地捆扎在一起滚入日军占领的战壕中。然而此时，203高地上的四个沙俄步兵连已伤亡300多人，并且已经无任何预备部队可供调派。
沙俄军队在旅顺战役中伤亡约3万人，其中阵亡约1.6万人。尽管此时库罗帕特金在中国东北境内集结了12支沙俄步兵军，但是整个沙俄西伯利亚第3步兵军在旅顺港内损失殆尽。由于这场战役◆■，沙俄太平洋舰队几乎全军覆没，数艘可怜的残存沙俄军舰拼凑出了一支新的沙俄太平洋舰队■■★■■★，但在接下来的40年里仍是一支毫无活力且无法构成任何威胁的近海防御力量■◆★■。旅顺要塞陷落后，沙俄在东亚的扩张计划顿时成为泡影。
乃木希典考虑到其麾下的部队在迫使沙俄军队撤离准备充分的◆★■◆★★“青山防线”所表现出的作战能力■◆■■■，他坚信，对旅顺要塞外围准备更加仓促的沙俄防御工事发起全面进攻将可以轻而易举地取得胜利◆◆■■◆。8月的第一周★■★，他将动用炮兵部队，组织多个师团部队的全面进攻■★★。由于日军的280毫米榴弹炮在海上运输中遭受损失，乃木希典的炮兵部队没有预期中的那么强大■■。大迫尚道的日军第2野炮旅团配备有各式野战炮和迫击炮，包括南山之战中缴获的一些沙俄106毫米火炮，但没有重型火炮■★■■◆。旧日本海军也在仔细斟酌之后■◆★■★★，向日军提供足够的武器和作战人员组建了一支海军炮兵群，配备了6门120毫米速射炮和20门76毫米火炮。乃木希典的基本作战思路非常简单：日军第1师团以及第9师团对沙俄主要防线的中心区域发动大规模进攻◆◆★，该防线由一系列的堡垒和防御工事构建而成，其核心防御阵地是■■★◆◆■“望台炮台”。日军对沙俄军队的侧翼助攻预计可以起到迷惑作用，让他们无法判定日军确切的主攻位置。一旦沙俄军队的防线被突破，乃木希典就派遣他麾下的日军预备队向旅顺老城区推进。不过★◆◆◆■◆，在他发动主攻之前，乃木希典必须清除掉沙俄军队两侧的掩护部队。土屋光春中将的日军第11师团将首先发起进攻，夺取沙俄军队手中的大孤山和小孤山阵地，从而瓦解沙俄军队的右翼安全。随后，松村务本中将的第1师团将消灭部署在174高地东北面的沙俄左翼掩护部队。
乃木希典打出他的最后一张底牌——大迫尚敏中将指挥的新组建的日军第7师团——该师团奉命攻占203高地◆★★■★■。然而，乃木希典并没有维持统一指挥，让大迫尚敏指挥日军第7师团执行作战行动，而是不得不向松村务本中将的日军第1师团提供步兵部队和火炮支援，后者已将多个部队组建成了一支混成编队■◆★★。11月30日6:00时★■◆■★，日军炮兵部队进行对203高地进行炮火轰击，包括两艘日军巡洋舰从旅顺军港以西的双岛湾（俄方称路易莎湾）附近海域进行舰炮射击。不久之后，日军步兵部队再次展开地面攻势。日军第28步兵联队派出的步兵部队成功占领了203高地的西北侧沙俄防御阵地，但却被沙俄的炮火火力压制。20■★★:40时，日军的步兵部队发动的另一次进攻实际上已经成功占领了203高地北侧山脊上的沙俄防御工事，但特列季亚科夫动用了最后所剩无几的预备部队对日军发起了反攻，于次日凌晨2★★◆■★:00时通过手榴弹将该处防御工事夺回。这场发生在203高地附近的夜间战斗，乃木希典的次子乃木保典少尉被沙俄炮火炸死★★◆◆。在当天日军不幸事件的清单上，日军防护巡洋舰“济远”号在双岛湾附近海域触碰到沙俄水雷而沉没；这一事件之后，东乡平八郎拒绝再让自己的舰队冒险执行舰炮支援任务。经过四天惨烈的地面攻势◆◆★，最终还是因过高的伤亡代价而以失败告终■★◆◆，乃木希典决定对203高地的任何进攻进行延期，直到他能够重新组建出新的步兵部队和炮兵部队。
11月26日晚，日军炮兵部队开始对203高地执行炮火准备，发射了25枚280毫米炮弹和300枚较小口径的炮弹。作为应对■■■■◆，特列季亚科夫将他的部队提高到全面备战状态，并将他的预备部队派遣至临近的防御阵地◆■★■。第二天早上，日军炮兵部队开始了更大规模的炮火打击；特列季亚科夫后来写道，“203高地就像一座正在喷发的火山”。山顶左侧的多面堡损毁严重，电话线也被炸断◆★。特列季亚科夫估计◆■■◆◆，203高地又被倾泻了30枚280毫米炮弹和300枚150毫米炮弹。到下午晚些时候◆◆◆■◆■，沙俄军队在203高地上筑起的防御工事遭到日军炮火重创，乃木希典下令日军第1师团派遣部队发起进攻。19◆◆■■★★:00时左右，日军第15步兵联队的两个大队袭击了203高地的西南角■★，而日军第4后备步兵旅团第38后备步兵联队的一个大队袭击了203高地的中央阵地。尽管受到日军猛烈进攻，沙俄守军还是击退了这两次日军的进攻■◆■■。11月28日，日军则继续进行炮火轰击，随后于16■■★◆◆◆:30时由两个日军步兵联队再次发起步兵进攻；这一次◆◆★★，日军第16后备步兵联队的一些步兵部队到达203高地山顶。特列季亚科夫立即组织兵力发起反攻，在19:00时再次将日军逐出203高地防御阵地■★■。11月29日破晓前，日军步兵部队悄悄靠近203高地的上层堑壕阵地■★★★■★，并投掷了一排手榴弹，让沙俄守军引发了短暂的恐慌。然而★■◆■◆■，特列季亚科夫就在现场进行指挥作战，在日军攻占防御工事之前，他亲自召集士兵发动反击。沙俄守军展开白刃战反击迅速消灭了这些日军部队。自打这次进攻之后■◆■★，日军第1师团缺乏发动进一步攻击行动的兵力。虽然沙俄军队在203高地进行了出色的防御，但经过三天日军持续的炮火轰击和步兵袭击，军队已经筋疲力尽。特列季亚科夫身受重伤■★◆■★，但他依然留在203高地◆■，已经没有足够的预备部队来弥补这些损失。伊尔曼诺夫也没有更多的预备部队支援特列季亚科夫，因为日军对附近老虎沟山的试探进攻也需要引起重视；如果失去任何一处防御点，沙俄军队在此处区域的防御体系都将崩溃■■。
日军方面，让乃木希典感到沮丧的是■★★■，他的前两次总攻都以失败告终了◆◆★◆★，位于东京的领导层已经开始担心◆★◆，为了如此微小的胜利却要付出如此巨大的伤亡代价和弹药消耗■★■。儿玉源太郎在第二次总攻期间视察了日军第3军，并嘱咐乃木希典需要适当地调整战术，让部队挖掘更多的战壕以掘壕前进、发动更猛烈的炮火轰击并且减少从正面对沙俄阵地发起攻击。最重要的是，他一再强调尽快占领203高地的重要性。乃木希典听从了以上战术上的建议，但他不接受儿玉源太郎关于集中兵力攻击203高地的建议◆◆，因为他仍然认为这是个次要据点。相反，乃木希典在得到更多的弹药和兵员补充之后，坚持再次尝试对望台炮台的攻击★★◆★◆。10月1日■★■，首个日军280毫米榴弹炮中队投入旅顺战役中，乃木希典命令他的炮兵指挥官集中火力对望台炮台进行轰击。到10月15日★★★★，三个日军的280榴弹炮中队开始全部投入使用■★。然而，乃木希典犯下了一个致命失误■★◆◆■■，因为沙俄军队现在有一个多月的时间来加强203高地周围的防御工事，而不会受到日军炮火的袭扰★■。
沙俄军队未能完全摧毁他们在旅顺港搁浅或坐沉的战舰■★◆◆◆★，这让日军最终成功打捞上浮四艘战列舰和三艘巡洋舰。这些战舰在旧日本海军中服役了十多年，随后原沙俄战列舰“佩列斯韦特”号（日本“相模”号）和“波尔塔瓦◆★■■”号（日本◆★◆◆“丹后★◆★”号）于1916年出售回沙俄。沙俄海军在中立国港口被扣押的一艘战列舰、两艘巡洋舰和十艘驱逐舰在战后都立即返回沙俄继续服役◆★■◆◆★。旅顺港在接下来的40年时间里成为了日本的军事基地，诚然，旧日本海军很少会使用该港口设施。事实上◆★，旅顺港主要用途是成为了旧日本海军扫雷舰部队的母港■■，他们需要花费数年的时间来清理布置在港口周围海域的水雷。到20世纪20年代，旅顺港海军基地处于看守状态◆★★★，并在整个第二次世界大战期间一直维持该状态。在日本宣布无条件投降后的1945年8月22日，苏军外贝加尔湖方面军副司令弗拉基米尔·德米特里耶维奇·伊万诺夫中将率领204名苏军士兵乘坐美制道格拉斯C-47◆◆“空中列车★★”运输机飞抵旅顺港接受驻防日军的投降。伊万诺夫对日军指挥官说，“40年前，斯特塞尔将军在旅顺港率军投降，如今我们将它重新夺回了◆★★◆★■！”在接下来的十年里旅顺港一直驻防有苏军部队，随后苏联最高领导人尼基塔·赫鲁晓夫决定从旅顺港撤出苏军部队，最终于1956年，旅顺港交还给中华人民共和国★◆■★。
当东乡平八郎正集中精力摧毁陷入绝境的沙俄■◆★■◆“塞瓦斯托波尔”号战列舰时，乃木希典正在集中部队完成对望台炮台上剩余的沙俄防御工事进行围困作战◆★★■■■。12月8日，沙俄高级军官在旅顺举行了一次作战会议，康德拉琴科和斯米尔诺夫主张继续战斗◆★■★，直到物资补给全部耗尽，而斯特塞尔和福克则悄悄地开始赞成投降。康德拉琴科认为■◆■，由于仍有2万名可投入作战的部队兵力和可维持一个月的粮食和弹药储备，讨论投降是不合时宜的。驻防旅顺的沙俄守军仍然有能力给予日军重大的伤亡代价，并继续推迟他们的战争战略时间表，这将有利于沙俄制定发动更大规模的作战计划■◆★◆■★。作战会议没有做出任何决定◆■■■。四天后，一艘英国汽船运载着包括食品在内的800吨货物闯过东乡平八郎的旅顺封锁线，暂时振奋了驻防旅顺的沙俄守军士气。然而，康德拉琴科中将在12月15日晚上视察东鸡冠山北堡垒时不幸战死，这严重动摇了沙俄守军的士气。随着康德拉琴科战死和特列季亚科夫身负重伤，以及其他许多前线指挥军官的损失，沙俄的防线开始变得脆弱★◆。沙俄驻军坚守在冰冷的战壕内，啃食着马肉，等待着最终结局。
旅顺战役计有41000多名沙俄官兵（包括8956名沙俄水兵）沦为战俘★★★■◆■，其中大约5000人患病和8000人受伤◆◆★★◆★。在旅顺要塞的168名沙俄高级军官中■★◆★◆★，86名军官接受日军的假释，其中包括阿纳托利·斯特塞尔、维克托·雷斯少将和米特罗凡·亚历山德罗维奇·纳杰因少将。日军共完整缴获沙俄军队357门火炮和9挺机枪★◆，这表明在最后的作战行动中沙俄军队的武器损失惨重。日军惊讶地发现，旅顺要塞仍储备有大量弹药（包括220万发小型武器弹药和13.3万枚炮弹）和大约可维持30天的口粮。事实上◆★◆◆■◆，旅顺要塞的沙俄驻军还有1920匹军马，这就表明沙俄军队并没有陷入粮食短缺。与斯特塞尔发给沙皇的电文截然相反的是◆◆■◆■，旅顺要塞的沙俄驻军仍然拥有2万多名身体健全的士兵和足够的物资补给，可以继续战斗4至6周时间。鉴于外国记者的报道以及日本需要外国贷款继续维持战争，日军根据1899年《海牙公约》的条款对待这些沙俄战俘。他们在长崎地区和其他地方建立了数个战俘营。八个月后日俄双方签署《朴茨茅斯条约》，所有沙俄战俘全都被遣返回国。在长崎呆了两周之后，斯特塞尔和他的几名高级军官乘坐法国邮轮“澳大利亚人”号回国；他于1905年2月21日抵达克里米亚半岛■■★■◆◆，并于3月3日在圣彼得堡觐见了沙皇★★。起初★◆，斯特塞尔被誉为英雄，并被沙皇授予勋章，然而当真相一旦浮出了水面■★★★，他就被迅速软禁了起来◆★◆。
11月26日，日军对东鸡冠山北堡垒发动总攻时★■★，一座沙俄弹药库被日军炮火引爆
总体而言，乃木希典的第二次总攻达成了其大部分的直接战术目标，但依旧未能突破沙俄的防线◆★■■，因此未能达成其战役水平的目标★■。乃木希典的日军第3军又付出了4349人的伤亡代价，其中924人战死。沙俄守军损失了约2800名官兵，其中600人阵亡或失踪■★★★。从南山坡山■◆★★■★，日军前进观察员获得了位于旅顺内港沙俄军舰的局部视图。他们开始对日军海军陆战重炮队的120毫米和150毫米远程火炮进行弹着点观测■◆★★◆◆，并通过电话通讯对日军的炮火进行定位修正。9月28日，沙俄战列舰◆■■“胜利”号被命中数发炮弹，9月30日，沙俄战列舰■■■“佩列斯韦特”号被命中9发炮弹。最初，沙俄军舰都是中度受损，为了避免受到更严重的损坏，沙俄军舰都转移到白玉山（俄方称鹌鹑山）山后停泊★★■◆■★，让日军无法观测到。10月1日★◆■■◆，日军设法在南山坡山附近建立起第一个280毫米榴弹炮中队炮兵阵地★◆■◆■★，开始对部分隐藏的沙俄军舰进行盲目射击◆■。10月2日，战列舰“佩列斯韦特”号被命中9枚280毫米榴弹炮■★◆★，遭到重创。日军的280毫米榴弹炮有两种类型的炮弹◆★，最初的炮击似乎使用的是装填炮弹◆■★★■■，而不是更具有破坏性的下濑火药■★★★。
乃木希典在发起第一次总攻的开始几天里并没有真正打算进攻望台炮台★◆。相反，乃木希典用他的火炮有条不紊地摧毁了盘龙山东堡垒和盘龙山西堡垒■■，摧毁这些堡垒中的5门沙俄火炮和大量炮手。东鸡冠山北堡垒和二龙山堡垒也遭到重创■■◆，大部分火炮遭到日军炮击而哑火。然而，这两座堡垒都是混凝土结构并有坚固的胸墙★■★◆★，可以承受比普通野战工事更多的打击。直到8月21日至22日的夜晚，乃木希典才认真地决定尝试派出一些日军部队攻击被日军炮火摧毁的沙俄堡垒★★。一户兵卫少将的日军第6步兵旅团向盘龙山东堡垒攻击前进，但被斜坡底部的带刺铁丝网拦截◆★★★◆◆，随后他们纷纷被沙俄的机和榴霰弹弹片击中。一户兵卫的日军部队进行了五次进攻尝试，但都以失败告终。次日■★★★◆★，即8月22日◆■★★◆★，乃木希典派出日军第4后备步兵旅团增援日军第9师团，并下令再次对盘龙山东堡垒和盘龙山西堡垒发动袭击★◆。土屋光春的日军第11师团奉命与日军第10步兵旅团对东鸡冠山北堡垒发动辅助进攻。日军第10步兵旅团曾短暂地在高地上站稳脚跟，但随即被沙俄守军发动的反击击退★★■。一户兵卫命令他的部队于10:15时发起进攻◆■，利用一些射击死角将他的突击部队推进到距离沙俄前线步兵联队的日军步兵部队在短暂的炮火准备后发起冲锋，这次他们成功越过沙俄的带刺铁丝网★■◆■。日军的步兵部队向前猛冲，抵达了盘龙山东堡垒的前沿★◆★★■，经过惨烈的白刃搏杀★◆★，在大约14:00时成功占领该堡垒阵地。日军第7步兵联队联队长大内守静大佐和两名日军步兵大队大队长战死◆★◆★，但亲自发起袭击的指挥官一户兵卫少将于15:00时指挥剩余的日军部队占领了盘龙山西堡垒。驻守该防区的沙俄指挥官请求增援以挽救这些丢失的阵地，但福克拒绝派遣任何预备部队■■。白天的突袭作战对日军来说是一场重要的奇袭行动，他们占领了两座沙俄堡垒阵地，但一户兵卫的日军第6步兵旅团于进攻的最初拥有2548名官兵，经此突袭后损失了2100人■★■■◆◆。
历时八个月的旅顺战役，乃木希典的日军第3军付出了大约59400名官兵伤亡的惨重代价◆◆■■★◆，其中阵亡15400人，几乎相当于分配给该行动部队近40%的兵力。此外，旷日持久的围城战日军消耗了353065发炮弹，这大大降低了旧日本陆军在中国东北境内其他作战行动中的火炮支援强度。事实上，日军对旅顺的围城★◆★■★■，加上乃木希典徒劳的总攻，最终成为一个天坑，将日军大量的战争资源从主要的作战区域转移至旅顺战场。日军占领旅顺后，乃木希典的日军第3军才得以挥军北上，并及时加入到日军主力部队的作战序列中，参与了1905年2月具有决战意义的奉天会战。东乡平八郎的联合舰队在旅顺港附近海域损失了两艘战列舰、三艘巡洋舰◆★◆、一艘海防舰和数艘鱼雷艇■◆★★■，以及阵亡1500多名海军官兵（相比之下，对马海战中旧日本海军仅损失了三艘鱼雷艇和阵亡117名海军官兵）。虽然旅顺战役以日本的胜利而告终，但这是一场代价极其高昂的作战行动，尤其对于在南满主战场中仅居于次要地位的作战行动而言■■。
日军攻陷二龙山堡垒后，斯特塞尔决定在12月29日举行另一次作战会议，尽管他已下定决心向乃木希典寻求和谈条件■★◆■★。在场的22名军官中，只有斯特塞尔、福克和其他三位提议投降◆★★◆■★，而大多数军官则支持继续抵抗◆■。在没有宣布任何决定的情况下，斯特塞尔已经开始起草投降书★★■◆★■。松树山堡垒显然是日军工兵部队的下一个目标，福克强行将戈尔巴托夫斯基的沙俄驻军部队减少到208人。12月31日10时，日军在松树山堡垒的防御工事下引爆了炸药，这导致近一半的沙俄驻军部队阵亡◆■★◆。在福克拒绝增援的情况下◆■★★★■，残余驻军部队一直坚持战斗到11时才彻底被日军击溃■■★■◆★。对于日军第1师团来说◆■■■，最后攻占松树山堡垒是一场代价极其微小的胜利，该师团仅伤亡187人（其中18人战死）。福克命令剩余5个连的预备部队全部撤退到旅顺新城区，仅留下戈尔巴托夫斯基的45名沙俄官兵充当中国城墙沿线剩余防御阵地的预备部队★■■◆，这种命令只能以愚蠢的犯罪行为来形容。
沙俄东西伯利亚第26步兵团团长■★■，弗拉基米尔·格里戈里耶维奇·谢苗诺夫上校
9月19日清晨■◆■，乃木希典在6■■★★:30时发起了他的第二次总攻，并进行了交叉炮火准备。起初◆■★◆，旧日本海军陆战重炮队的20门火炮炮击了位于望台炮台的沙俄阵地■★◆★■◆，旨在暗示日军第6步兵旅团可能试图从盘龙山东堡垒和盘龙山西堡垒周围地区继续突破沙俄望台炮台的外围阵地★◆■★。然后★◆，在12■★★:00时■★◆■■，日军第2野炮旅团的88门火炮向水师营的两座主堡垒执行炮火准备◆★★。日军向龙眼北方堡垒发射了10000多发炮弹，将其夷为平地◆★★◆◆。沙俄的水师营南方堡垒同样遭受到重创。直到18:00时，中村觉少将的日军第2步兵旅团才开始向龙眼北方堡垒的东北角发起进攻。尽管沙俄守军被日军的炮火轰击弄得不知所措，但他们还是进行了顽强抵抗，来自二龙山堡垒的沙俄火炮提供了密集的火力支援，给予日军以沉重的打击■■。日军的步兵部队缓慢地推进到第一道战壕即开始寻找掩体，这给了沙俄守军短暂的喘息时机。康德拉琴科迅速派出两个连的预备兵力，对日军率先发起反击，通过白刃战将日军从战壕中击退◆◆■◆◆。然而★◆，暮色低垂，中村觉下令再次发起进攻★■■，龙眼北方堡垒周围的白刃战持续了大半个晚上。照明弹照亮了夜空◆★，也照亮了战壕中成堆的尸体。沙俄守军向堡垒下方的第一道壕沟投掷手榴弹，苦苦支撑着这座危如累卵的堡垒。9月20日5:00时，日军第9步兵师团从平佐良藏少将的日军第18步兵旅团抽调出两个步兵联队，向龙眼北方堡垒的东侧发起进攻，于是最后11名沙俄守军的幸存者携带剩下的最后一挺机枪撤离了堡垒阵地■◆。龙眼北方堡垒一旦沦陷■■，水师营南方堡垒也就无法再继续坚守，仍驻防于此拥有两个连兵力的沙俄守军随即撤出了水师营南方堡垒。
叶夫根尼·伊万诺维奇·阿列克谢耶夫海军上将★■■★，他对沙俄军队在旅顺战役的惨败负有重要责任，他被解除了指挥权，但很快就在沙俄国务委员会获得一个席位。1905年9月，沙俄与日本签订和平条约后，沙俄军队开始非常详细地审查整场旅顺战役的过失，尤其是导致最终投降的决定。康斯坦丁·斯米尔诺夫陆军中将在旅顺战役中一直逆来顺受★★■■★，他积极带头指出阿纳托利·斯特塞尔、亚历山大·福克和维克托·雷斯是导致旅顺战役失败的罪魁祸首。斯特塞尔陆军中将于1906年被开除军籍，随后于1908年被军事法庭审判◆★■★◆。法庭认定他犯有畏敌怯战罪和其他多项指控，最终判处斯特塞尔死刑★■★◆■★。在监狱服刑一年后，斯特塞尔被沙皇赦免。福克陆军少将在一次决斗中打伤了斯米尔诺夫，随后被开除军籍并前往保加利亚参加了巴尔干战争■◆■◆■。雷斯陆军少将也被开除了军籍。斯米尔诺夫在关于旅顺战役的审判中被判无罪，随后他于军中退休★■★，◆◆◆■“十月革命”后流亡于南斯拉夫◆★。尼古拉·特列季亚科夫陆军上校被公认是旅顺战役的英雄之一★◆★，并继续在沙俄军队中担任工程军官一职直至1917年，他死于肺炎。弗拉基米尔·戈尔巴托夫斯基陆军少将，是旅顺战役中另一位英雄人物，他在第一次世界大战期间晋升为集团军总司令。
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