日本第二军夺取大连湾后，为攻克“东洋第一堡垒”旅顺口，在大连湾整休一旬。旅顺口与威海卫隔海相望，共扼渤海门户。旅顺口不仅口门严实，而且背靠群山，峰峦蜿蜒起伏，主要山峰上都设有炮台。口门东西两面筑有许多炮台：东面有松树山、二龙山、鸡冠山等炮台，西面有椅子山、案子山、望台北等炮台，共有加农炮、榴弹炮、野炮、山炮等各种大炮78门。关于旅顺口之险要，黄遵宪曾赞道：“海水一泓烟九点，壮哉此地实天险!炮台屹立如虎阚，红衣大将威望俨。”
驻守旅顺的清军，原有记名提督黄仕林、记名总兵张光前各两营，后各增募两营，共八营4100人。后增加临元镇总兵姜桂题四营、记名提督程允和四营，共增八营4000人。11月初李鸿章又派来记名提督卫汝成的五营3000人，再加上金州、大连湾退下来的连顺、徐邦道、赵怀业的残部，总兵力为14700人。日军第一师团长山地元治组织了1500名敢死队，准备与清军较量一番。然而旅顺并非山地所想象的那样难以攻取，清军兵力虽厚，但诸军互不联络，均无固守的信心，尤为严重的是“群龙无首”，八位统领不相隶属，各行其事。虽然临战前公推姜桂题为总统，但他行伍出身，战守无策，一味告援，却不能改变诸军相互观望坐视的局面。
11月17日拂晓，日本第二军除在金州、大连湾留下少量部队外全部出动进犯旅顺。日军分三路：一为右翼纵队，由第一师团、混成第十二旅团及攻城炮队组成，山地中将为主将，乃木、西、长谷川三少将为其下属；二为左翼纵队，由步兵第十四联队、骑兵一小队、山炮一中队、工兵一中队组成，满益少佐为指挥；三为骑兵搜索队，由骑兵一大队组成，秋山少佐为指挥。是日，右翼纵队和搜索骑兵在三十里堡宿营，左翼纵队在辛塞子宿营。18日早晨6时左右，右翼纵队从三十里堡出发，下午2时30分到达营城子。同日上午10时，搜索骑兵队第一大队长秋山好古率领的前锋到达土城子。此时清军3000余人突然出现，把骑兵队团团围住。秋山下令与清军交战，枪剑相向，人马混战，十分激烈。后来清军越来越多，势不可当，日军骑兵陷于重围之中。秋山见势不妙，只好下令突围，向双台沟方向逃去。有些受伤日兵不能行走，马又丧失，便举刀切腹或割颈自刎。此次土城子迎击战，日军死伤55人，给了敌人一个下马威。但是其后清军不敢主动迎击，光是消极防御，注定了失败的结局。
11月20日，日军司令大山岩在李家屯西北的高地上召开各级将校会议，决定21日凌晨2时开始总攻击。是日，各军进入预定的阵地。骑兵搜索队警戒盘龙山以西，部分骑兵搜索通向旅顺的道路；右翼纵队第一师团攻椅子山炮台，混成第十二旅团攻二龙山炮台；左翼纵队在旅顺东北布阵，牵制清军；军司令部驻土城子南；联合舰队在旅顺海口一字摆开，牵制清军兵力。
11月21日晨6时40分，日军逼近各炮台，西宽少将为先锋，率领第三联队首先攻扑椅子山最西的炮台。炮兵则在椅子山西面布阵，同时攻击椅子山的三个炮台。清军发炮应战，但由于日军大炮命中率高，炮台被摧毁。最后第三联队的步兵发动冲锋，一举攻下椅子山的三个炮台。时为上午8时。
山地中将攻下椅子山炮台后，又令炮队攻击松树山炮台。炮弹击中其火药库，猛然爆炸，松树山炮台彻底被毁。此时长谷川少将的混成旅团正在攻打二龙山炮台和鸡冠山炮台，由于第一师团各部队包抄两炮台的背后，清军腹背受敌，终于不支而退，二龙山、鸡冠山两炮台失陷。时近中午。
旅顺背后各炮台大都陷落，所剩的只有海岸炮台。海岸诸炮台以黄金山炮台最为坚固，所有大炮都能作360度旋转，四面八方都可以射击。日军第二联队长伊濑知好成大佐奉命攻打该台。当日军一逼近黄金山炮台时，清军东岸守将黄仕林便弃炮台逃走，炮台被日军轻易占领。时为下午5时。东岸其他炮台如摸珠礁、老砺嘴等炮台守兵，见主将已遁，也都不战而逃，东岸炮台全部失陷。
至晚上，西岸炮台尚在清军手中。但是当夜张光前率领部下沿西海岸向北撤退，西海岸诸炮台也尽归日军所有。这样，旅顺半岛20多个炮台，一天内全部被日军占领，清军战死约2000余人。李鸿章经营旅顺16年，耗资数千万，船坞、炮台、军储的实力为北洋军之首，但不能守一天。后来，总理船政、专办水陆营务的道员龚昭??与?以“不能联络诸军同心固守，迨船坞失陷避至烟台”等罪名被捕，交刑部治罪，作了替罪羊。
日军攻占旅顺后，滥杀手无寸铁的和平居民约2万人，这就是震惊世界的旅顺大屠杀。关于此次大屠杀，许多欧洲人留下了亲眼目睹的记录。
英国人艾伦在他的《龙旗翻卷之下》中写道：“日本兵追逐逃难的百姓，用枪杆和刺刀对付所有的人；对跌倒的人更是凶狠地乱刺。在街上行走，脚下到处可踩着死尸。”“天黑了，屠杀还在继续进行着。枪声、呼喊声、尖叫声和呻吟声，到处回荡。街道上呈现出一幅可怕的景象：地上浸透了血水，遍地躺卧着肢体残缺的尸体；有些小胡同，简直被死尸堵住了。死者大都是城里人。”“日军用刺刀穿透妇女的胸膛，将不满两岁的幼儿串起来，故意地举向高空，让人观看。”
美国《纽约世界》记者克里曼于11月24日(日军攻占旅顺后第四天)从旅顺发回国内的一篇通讯中说：“我见一人跪在兵前，叩头求命。兵一手以枪尾刀插入其头于地，一手以剑斩断其身首。有一人缩身于角头，日兵一队放枪弹碎其身。有一老人跪于街中，日兵斩之，几成两段。有一难民在屋脊上，亦被弹打死。有一人由屋脊跌下街心，兵以枪尾刀刺插十余次。”“战后第三日，天正黎明，我为枪弹之声惊醒，日人又肆屠戮。我出外看见一武弁带兵一队追逐三人，有一人手抱着一无衣服的婴孩，其人急走，将婴孩跌落。一点钟后，我见该孩已死，两人被枪弹打倒。其第三人即孩子之父，失足一蹶，一兵手执枪尾刀者即刻擒住其背。我走上前，示以手臂上所缠白布红十字，欲救之，但不能阻止。兵将刀连插伏地之人颈项三四下，然后去，任其在地延喘待死。”“次日(11月24日)我与威利阿士至一天井处，看见一具死尸。即见两兵屈身于死尸之旁，甚为诧异。一兵手执一刀，此两人已将尸首剖腹，刳出其心。”
?英国法学家胡兰德在他的《关于中日战争的国际公法》中说：“当时日本官员的行动，确已越出常轨。他们从战后第二天起，一连四天，野蛮地屠杀非战斗人员和妇女儿童。在这次屠杀中，能够幸免于难的中国人，全市中只剩36人。而这36人，完全是为驱使他们掩埋其同胞的尸体而留下的。”“其中有一个叫鲍绍武的人说：‘我们来参加收集尸体时，看到有的人坐在椅子上就被捅死了。更惨的是，有一家炕上，母亲身边围着四五个孩子，小的还在吃奶就被捅死了。’”
