3-я японская армия прорвала русскую оборону «на перевалах», заняла Волчьи горы – позиции на дальних подступах к самой крепости. 9 августа 1904 года японцы вышли на позиции по всему периметру крепости. В связи с началом обстрела гавани Порт-Артура японской дальнобойной артиллерией командование флота решило прорываться во Владивосток.
10 августа (28 июля) 1904 года Бой в Жёлтом море. Японскому флоту, из-за гибели Витгефта и потери эскадрой управления, удалось вынудить русских вернуться в Порт-Артур. Часть кораблей уходит в нейтральные порты; крейсер «Новик» гибнет при попытке дойти до Владивостока.
12 августа (30 июля) 1904 года Не зная, что попытка прорыва провалилась, три крейсера Владивостокского отряда вышли в Корейский пролив, собираясь встретить эскадру. 14 августа 1904 года они были обнаружены шестью крейсерами эскадры Камимуры и приняли бой, в котором погиб «Рюрик».
Оборона крепости продолжалась до января 1905 года и стоила японской армии более 90 тыс. убитыми и ранеными. Потери русских – 28 тысяч убитыми и ранеными. После захвата японцами господствующих над городом высот осадной артиллерией потоплены остатки 1-й Тихоокеанской эскадры. Единственный оставшийся в строю броненосец «Севастополь» выведен в бухту Белого Волка в сопровождении пяти миноносцев и канлодки. Ночью, 19 декабря 1904 г. японцам удалось подорвать «Севастополь» торпедами; ремонт в бомбардируемом порту был невозможен, поэтому было принято решение о его затоплении после снятия орудий и боезапасов.
2 января 1905 (20 декабря по старому стилю) 1904 года На 329-й день войны, после гибели генерала Р.И.Кондратенко, крепость сдана японцам генералом А.М. Стесселем. Крепость была на тот момент в безнадёжном положении: не осталось шансов на помощь извне; повальная цинга, госпиталя переполнены ранеными.