1894年11月19日，日军第二军三路纵队全部进抵旅顺口背后的防御阵地，21日，日军按作战部署开始了对旅顺口陆路防线的进攻。日军的进攻部署分左、右两翼及搜索骑兵三路：
右翼纵队：由第一师团、混成第二十旅团和攻城炮队组成。总指挥是山地元治中将，副指挥为乃木、西宽、长谷川三位少将。主攻旅顺后路西侧的椅子山、案子山、松树山、二龙山一带。
左翼纵队：由步兵十四联队、骑兵第一小队、山炮一中队和工兵二中队组成，益满中佐任指挥。攻击旅顺后路东侧的东鸡冠山一线。
搜索骑兵：由骑兵一大队组成，秋山少佐指挥，主要是侦察、搜索和联络。
其时旅顺驻清军33营，12000人，来犯日军15000余众，计有步兵15个大队、骑兵3个中队、工兵4个中队、炮兵14个中队，拥有各种炮78门。
清军防御部队的阵势为：
东线松树山、二龙山和东鸡冠山一带，由姜桂题、徐邦道驻守，总计14营2哨；
西线案子山、椅子山一带由程允和的和字步队3营防守；白玉山东麓从北路通市区的要道，由卫汝成的成字步队5营和马队一哨驻守。
从金州、大连湾撤回的连顺、赵怀业残部作为预备队留守市区。海防一带，黄金山诸炮台防务仍由黄仁林诸营担任，海口西岸的威远炮台、馒头山炮台由张光前驻守。
旅顺西北的椅子山、案子山炮台是日军进攻重点。
21日凌晨1点，西宽二郎率第二旅团乘暗夜由石嘴子宿营地出发，到达椅子山左侧。同时将炮兵第一联队的12门山炮、24门野炮及4门攻城炮布置在椅子山的西方和北方高地。
早晨7时，日军开始对案子山堡垒发起进攻。
日军用数十门山炮、野炮、攻城炮，从椅子山的西方和北方组成十字火力向清军阵地狂轰滥炸。清军案子山炮台及东侧的松树山炮台也用大小炮火进行还击。黄金山炮台也以24厘米的大口径远距离重炮进行支援。
两军炮声轰轰烈烈，大有山河为之碎裂，天地为之震颤之势。
在炮火掩护下，西宽二郎指挥步兵、骑兵向案子山堡垒发起攻击。
当日军攻至3000米左右时，守垒清军和字营在程允和指挥下，用各种火力进行猛烈还击，子弹雨点般射向日军。
日军由正面冲不上去，冒死向西迂回到案子山西侧的石板桥和北太阳沟，将部队隐藏在案子山低炮台高地西侧的死角地带。并集中炮火向案子山低炮台攻击。守炮台清军用数门机关炮向进攻的日军瞰射，极力防守。
这时，日军倾所有的大炮集中向低炮台轰击，以掩护步兵冲锋。
7时25分，日军接近炮台200米，清军坚守不屈，日军死伤多人。
7时30分，日军距炮台仅百米，清军冒着敌人弹雨，呐喊着冲出堡垒，与日军展开了激烈的白刃格斗。
战斗持续了一个多小时，双方互有伤亡。后因敌军炮火猛烈，敌众我寡，阵地相继失陷。8时15分，日军突破陆地防线，占领案子山等西线炮台。
案子山失陷后，日军全力攻击松树山。
战斗开始不久，日军炮火就击中炮台下侧的火药库，引起爆炸，大火燃烧，子弹四处飞射。清军大乱，仓皇向东面的二龙山撤退。
11时，山地元治中将指挥的日军攻占了松树山炮台。同一时间，日军长谷川少将指挥混成旅团向二成山阵地进攻。
日军的第二中队，从山下蚁附攀登。守军居高临下，俯射来敌，多次打退日军冲锋，敌军伤亡惨重。
后来，日军指挥官下达“踏尸猛进”的命令，攻入炮垒前沿300米处，其先头敢死队踏响清军地雷，死伤多人。
日军“喋血越尸”苦战肉搏，清守军用速射炮迎击。两军激烈交火，山摇地动。
双方搏斗4个多小时，攻方不断增兵，守军孤立无援，中午11时30分，清军撤离炮兵阵地。
日军左翼纵队在步兵第十四联队长益满邦介率领下，于17日经辛寨子、岔沟沿崎岖山路向旅顺东北进击。
20日晚，前哨进至龙头，大队在莺歌石宿营。
21日上午占领鸡冠山东北的团山子，9时50分开始向鸡冠山炮台发起进攻。
守鸡冠山炮台的拱卫军，在徐邦道指挥下顽强抵抗。南面的黄金山海岸炮台也用24厘米的远距离重炮进行支援，向日军侧翼进行猛烈的炮击，双方展开激烈的战斗。
10时50分，击毙日军步兵第十四联队第一大队长花冈正贞少佐。但不久，日军攻占了二龙山炮台后，派一个步兵大队前来支援。
11时45分，日军首先攻占了东鸡冠山炮台。接着，大坡山、小坡山炮台及蟠桃山临时炮台也相继被攻陷。徐邦道率军退入市区。
当天上午，驻守白玉山的卫汝成预备队，由于主将卫汝成临阵先逃，部队无人指挥，士兵放弃阵地，纷纷向海岸炮台逃跑，致使白玉山炮台失陷。到11时50分，旅顺口后路所有炮台、堡垒全为日军所占。
12时20分，大山岩司令在军部发布命令：除少数部队守卫台垒外，全力向海岸及市区进攻：第1师团攻击市区；混成旅团（第12旅团）占据市区东北部，防止清军从东路逃走，同时策应主力部队攻击市区；搜索骑兵监视旅顺口西面，并警戒日军右翼。
攻城战开始之初，日军遭到黄金山守军的猛烈炮击。
黄金山居高临下，炮台内有各种炮20余门，其中有24厘米远射程克虏伯重炮3门，这种重炮可做360度射击，机动性大、火力猛烈，对进犯日军威胁很大。
日军为摆脱被动，转派2个联队猛攻黄金山。
清军将士同仇敌忾，奋勇反击日军，但主将黄仁林见后路失陷，敌军攻势又猛，异常恐慌，撇下士兵，自己先走。
守垒军士坚持到下午5时，因指挥无主，被迫放弃炮台，沿旅顺口东路向北撤退。于是，日军连续占领黄金山、东人字墙和模珠礁等阵地。
在旅顺口海防西线，馒头山、城头山守军和从后路撤下的清军，仍固守阵地与敌抗争，直到日落天黑。日军不明虚实，暂停攻势，打算天明后再战。
这天夜里，阴云密布、风雪大作。西路清军在徐邦道、张光前、姜桂题、程允和率领下在茫茫漆黑的深夜由西部海岸向北，取道南关岭退往复州。
次日凌晨，日军进攻中发现炮台无人，上午10时30分，进入西路炮台。
至此，清军海陆炮台20余座全部失陷，李鸿章经营14年之久，耗资白银1亿两，船坞、炮台、军储东亚一流的旅顺口，竟于一日之间完全沦入日军之手。
旅顺口海陆炮台20余座所配备的新式克虏伯重炮和各种大小炮火140余门，以及水雷营、鱼雷营、船坞等各种军事设施，弹药、粮饷等各处物资，全归日军所有。
旅顺攻防战中双方伤亡人数，据日方记载：日军死亡将卒40人、伤241人、失踪7人。死伤合计288人。
清军伤亡约2500人。许多清军战败后来不及退走，放下武器，藏匿在市区居民家，被日军逐户搜出后加以杀戮。
