夜襲旅順港後，東鄉平八郎見俄艦避港不出，又有強大的海岸炮火支援，日本聯合艦隊難以重創俄國太平洋分艦隊，大傷腦筋。為了完全掌握制海權，減輕日方海上交通線所受的威脅，東鄉平八郎決定仿照美西戰爭中的成功做法，將船沉在旅順港出口處，封鎖俄國艦隊，並不斷炮擊俄艦。從2月9日直到3月初，日軍幾次沉船封港行動均未成功。
3月上旬，俄國新任太平洋分艦隊司令馬卡羅夫到旅順就職，立即採取了一系列防範措施，同時要求艦隊主動出擊。
他在了解海區及艦船和要塞情況的基礎上，決定在遼東半島沿海地區布設水雷，防止日軍登陸並從側後威脅旅順基地；加緊搶修受傷艦船，派遣艦隊出海活動，加強海陸協同作戰訓練；要求海參崴艦隊出兵南下日本海，積極襲擾日軍海上交通線，牽制日本聯合艦隊行動。馬卡羅夫的這些措施，改善了俄軍的被動處境，使官兵有了戰勝日軍的信心，但4月13日，馬卡羅夫因所乘坐的&ldo;彼得羅巴甫洛夫斯克&rdo;號戰列艦出海返航時觸雷爆炸，喪生大海。新任司令威特蓋夫特認為憑藉旅順要塞可以保障艦隊的安全，遂不再採取出擊行動，從此，海上作戰主動權再度落入日軍手中。
日本戰時大本營鑑於海軍遲遲不能殲滅俄國太平洋分艦隊，便決定採取陸上進攻行動。3月21日，由黑木大將指揮的日本第一軍首先在朝鮮仁川登陸北進，4月中旬進抵鴨綠江邊。由於此舉出乎俄軍意料之外，日本陸軍很快擊潰由扎蘇利奇統率的俄軍東滿支隊，進占九連城、鳳凰城，造成了威逼遼陽的態勢。與此同時，由奧保鞏大將率領的日本第二軍於5月初在遼東半島莊河登陸成功，5月底進抵金州；由乃木希典大將指揮的日本第三軍也在5月底從大連灣登陸，進逼旅順；由野津道貫上將統率的日本第四軍於5月中旬在遼東半島大孤山登陸，進占海城。日軍在陸上進攻接連得手，使俄軍處於被動應付的地步。
日軍&ldo;滿洲軍總司令部&rdo;原準備待第三軍攻克旅順後，統一指揮四個軍，同俄軍進行遼陽會戰。但由於旅順要塞易守難攻，日軍從8月19日至24日強攻數日，晝夜突擊，僅奪占了一些外圍工事，而且傷亡約2萬人。在這種情況下，日軍只好放棄迅速攻占旅順的計劃，改取圍攻久困之計。鑑於第三軍已不能北上，而推遲遼陽會戰又對整個戰局不利，為在俄國大批援軍趕到戰區之前消滅遼陽俄國守軍，日軍&ldo;滿洲軍&rdo;總司令大山岩決定抓緊戰機，乘勝決戰，以現有三個軍兵力一舉殲滅遼陽之俄軍。當時，俄軍雖在兵力火力上占絕對優勢，但統兵將領卻舉棋不定，朝令夕改，最後在開戰前一天才決定採取先防後反的方針，致使前線指揮官倉促應戰。
8月24日凌晨，戰鬥打響。日本第一軍首先向俄軍左翼迂迴，第二、四軍則繼而向俄軍右翼發起主攻。苦戰至9月7日，日軍以損失2．4萬人的代價，在俄軍主動放棄遼陽的情況下，進占遼陽。此後，雙方重兵又在沙河地區展開激戰，互有勝負，形成對峙之勢。這時，日軍決定在沙河地區轉入防禦，集中全部後備力量於旅順方向，儘快攻占旅順要塞。
旅順爭奪戰是日俄戰爭中具有重大意義的戰役。只要旅順牽制著日本第三軍，只要旅順港的俄國太平洋分艦隊還存在，日軍就無法結束戰爭，就無法保證海上交通線不受威脅。
因此，日軍不惜任何代價攻取旅順。自8月日軍首次強攻旅順受挫之後，調整部署，增調兵力，改變戰術。9月至11月底，日軍經過3次強攻，並輔以坑道爆破，終於在12月5日攻克了瞰制旅順全城和港灣的203高地。隨後，日軍便以大口徑榴彈炮轟擊俄軍陣地和港內俄艦。俄軍太平洋分艦隊曾試圖突出港灣，駛往海參崴。但由於港外有日艦封鎖，此舉未成，