在取得制海权之后，日军开始登陆作战。奥保巩大将的第二军，于5月5日在辽东半岛的貔子窝登陆，直逼“旅顺的门户”金州地峡，企图从北面攻占旅顺。经过激战，日军于5月26日攻下了金州的南山地区，截断了旅顺俄军的后援之路。5月底，日军又占领大连湾，获得了新的补给基地。

    占领金州、大连之后，日第二军向旅顺挺进。俄国驻旅顺口要塞陆防司令康特拉琴柯少将指挥俄军顽强抵抗，加上俄军占据的有利地形，日军攻势受阻。日军大本营命令第二军北上作战，另编成陆军第三军，由乃木希典大将统帅，以大连为基地，迅速向俄军旅顺要塞推进。从此，乃木的第三军就在旅顺攻坚战中唱起了主角。

    乃木希典是日军名将，也是中国人民的凶恶敌人。在1894年中日甲午战争中，他担任旅长，以很小的代价攻克旅顺，并积极参与策划了旅顺大屠杀。到日俄战争爆发，他又来到了他10年前征战的地方。他的对手，旅顺俄军总司令斯捷塞尔，是个不折不扣的大草包。俄国满洲集团军总司令克鲁帕特金见斯捷塞尔在前期作战中迅速就丢失了许多要地，表现很糟糕，就用电报通知他，要他把指挥权转交给要塞司令斯米尔诺夫，然后乘巡洋舰离开旅顺。但是他却把电报隐藏了起来，不加理会。可怜的斯米尔诺夫直到战后才知道上级对自己的这一任命。

    与厉兵秣马、磨刀霍霍的日本的上下一心、精于用人相比，沙皇俄国腐朽的政治制度造成了许多庸懦无能之辈居于高位，这在很大程度上影响了战争的结果。

    旅顺口是沙俄精心经营多年的海军要塞，由雷区、电网、探照灯和上百个碉堡、炮台构成了强大的防御工事体系，俄国约有守军5万多人，炮646门，机枪62挺。而乃木的第三军则拥有6万人（后来不断得到补充增强）、400门火炮（其中198门为攻城炮），机枪72挺。

    8月8日、9日，日军相继攻陷旅顺外围的重要据点大孤山、小孤山。旅顺形势危急，俄国远东总督阿列克谢耶夫海军上将命令太平洋舰队司令维特格夫特率舰队突围，撤到海参崴。但维特格夫特胆小无能，迟迟不敢行动，在6月12日勉强率舰队出港，碰到了东乡的优势兵力就马上又缩了回来。8月10日，俄国舰队再次突围，但很快就被日本舰队击溃，维特格夫特中炮身亡。俄军大乱，部分军舰逃到中立港，被解除武装，大部分军舰又只得返回旅顺港。

    8月19日黎明，日本第三军向旅顺要塞发起第一次进攻。俄军拼死抵抗。面对俄军的坚固工事和强大火力，乃木决定采取“肉弹进攻”战术，命令士兵以密集队形反复冲锋。一个参战的俄国军官罗金记载道：日军士兵就如“由活人组成的‘山崩’，向我们滚滚而来。”日军作战非常勇敢，前仆后继，踏着同伴的尸体，昼夜不停地猛冲。尤其是夜战，颇为壮观。机枪弹道如金蛇狂舞，纵横交织，俄军用探照灯照射战场，用步枪、机枪、火炮把日军一片一片地撂倒。日军尸山血河，却进展极微。5天中日军伤亡 1万5千人以上，不得不停止进攻。

    9月 19日，日军发起第二次攻势。从这一次，日军才开始进攻西线的203高地，但它也只是几个目标之一而已。乃木并没有意识到它的重要性，他更为关注的倒是东线的几个据点。203高地因为海拔203米而命名（俄军称之为“高山”），是旅顺要塞的最高制高点，也是最关键的阵地。军事史家富勒评价道：“我们若记得乃木在1894年，曾经有过占领旅顺的经验，那么他在以前不曾注意到203高地，实在不能说不奇怪，因为他应该知道从这个山顶上，是可以看到港中的全貌，所以它实在是俄军全部防御体系的总枢纽。”经过4天激战，日军损失6千人，只占领了长山和一些工事，没有攻下203高地。

    10月15日，在经过了漫长的拖延之后，俄国的波罗的海舰队开始启程增援远东战场，更名为第二太平洋舰队。消息传来，日本十分不安。倘若这支舰队与太平洋舰队会合，实力将超过日本海军，势必严重威胁日本的海上交通线，战争形势将发生不利于日本的逆转。日军必须在波罗的海舰队到来之前歼灭在旅顺的太平洋舰队主力。与此同时，在辽阳、奉天（沈阳）前线的俄军已增加到21万人，而日军只有17万人。日军也无力再对俄军组织攻势。于是日军停止了在奉天前线的攻击行动，集中全部后备力量，增援乃木，主攻旅顺港。

    10月30日，乃木发动第三次进攻，又失败了。此后日军加紧进行坑道作战，在俄军的据点下进行爆破。而俄军也针锋相对，以坑道对坑道，以爆破对爆破，双方在看不见的地下，在充满灰尘的坑道里拼死搏斗。

    11月26日，日军对旅顺组织第四次进攻，战斗异常激烈。刚开始的两天，乃木仍然集中主力部队攻打东线的松树山堡垒和东鸡冠山炮台，死伤惨重，苦战不下，终于改变策略，倾5万兵力进攻西线的203高地。日军“肉弹攻势”又一次表现出了其疯狂可怕。这是整个旅顺攻坚战的高潮，也是最残酷的一场战斗。日军向203高地发射炮弹1.1万余发，山顶被削平3米，草木无存，岩石被打得粉碎。日军最大的障碍是铁丝网，每到铁丝网他们总是成片地倒下。罗金说：“他们（日军）疯狂也似的打下去，直到筋疲力尽，丧失了知觉时为止，整个的营从地面上被扫除了。”“这不是人与人之间的战斗，而是人类与钢铁、燃烧着的石油、炸药和尸臭等的斗争。”尸体堆积四五层，填满了北坡壕沟。众多残缺不全的尸体堆在狭小的空间之内，又无法下运，皮肤发绿，恶臭难闻，日本人的死相十分难看。

    经过7昼夜鏖战，日军以伤亡1万 6千人的代价，于12月5日终于占领了203高地。在占领这个制高点之前，日军炮兵对旅顺港内的俄国军舰只能“盲打”，此时日军一占领高地，整个港口尽收眼底，马上用电话指引后方的重炮，对港内的俄军舰艇进行了毁灭性的精确打击。一天之内，俄国太平洋舰队的主力舰几乎全部被击沉，只有战列舰“塞瓦斯托波尔”号和7艘小舰幸免于难。

    至此，俄军大势已去。12月15日，旅顺防御战的核心人物——旅顺陆防司令康特拉琴科少将中炮阵亡，他的职务由福克将军接替。福克与旅顺俄军总司令斯捷塞尔一样，都是大草包，两人都打定主意投降。12月29和31日，日军先后攻占了旅顺东北的二龙山和松树林等炮台。当时港内俄军尚有3万2千人，其中有作战能力的有1万5千人，还有610门大炮，20万多发炮弹。但是，斯捷塞尔不顾其他俄军将领的反对。在1905年1月1日派军使去日军那里请降。消息传来，激起俄军官兵的强烈愤慨。他们愤怒地凿沉军舰，炸毁物资仓库、工事和弹药，爆炸声和大火继续了一整夜。5艘雷击舰和4艘快艇在要塞投降时冲出了日本舰队的封锁圈，逃到了中国其他港口。

    1月2日，旅顺俄军与日方正式签订了投降书。日军占领了旅顺。

    旅顺战役进行了 5个月之久，日军参战人数约有13万6千人，伤亡6万2千人。俄军阵亡2万1千人，还有3万3千多人当了俘虏。旅顺口的失陷，使日军完全掌握了制海权，日俄战争发生了重大转折。斯捷塞尔先是隐匿上级命令，拒不交出指挥权，最后又主导投降，给俄国造成了无可挽回的损失。俄国军事法庭判处斯捷塞尔死刑，后改判10年有期徒刑。