В начале августа японцы высадились на Ляодунском полуострове и подошли к внешнему оборонительному обводу крепости. Гарнизон Порт-Артура насчитывал 50,5 тысячи солдат и офицеров при 646 орудиях и 62 пулеметах. В дальнейшем за счет использования на суше морской артиллерии количество орудий возросло до 652. Русский флот в порт-артурской бухте состоял из 6 броненосцев, 6 крейсеров, 2 минных крейсеров, 4 канонерских лодок, 19 миноносцев и 2 минных транспортов Численность экипажей кораблей и береговых служб флота составляла 8 тысяч человек, которые в дальнейшем, после гибели флота, были брошены на усиление сухопутных частей. Из местного населения были сформированы добровольческие дружины общей численностью в 1,5 тысячи человек. Дружинники доставляли на позиции боеприпасы и продовольствие, эвакуировали раненых и поддерживали связь между штабом и различными участками обороны.
10 августа 1904 года русская эскадра попыталась вырваться из Порт-Артура. Попытка почти удалась, и японский флот уже собирался отступить, когда на капитанском мостике флагманского броненосца «Цесаревич» разорвался фугасный снаряд. В результате погиб командующий эскадрой адмирал Витгефт и весь его штаб. Управление русскими кораблями было нарушено, они поодиночке пытались прорваться во Владивосток, но все, кому удалось вырваться из гавани Порт-Артура, были интернированы в нейтральных портах. Только крейсеру «Новик» удалось дойти до Корсаковского поста на Камчатке, где он погиб в неравном бою с японскими крейсерами.
Обороной Порт-Артура руководил комендант крепости генерал А. М. Стессель, но эскадра ему не подчинялась, будучи в ведении командующего флотом, и он не мог влиять на действия кораблей, запертых в Порт-Артуре.
Осаждавшая город 3-я японская армия насчитывала более 50 тысяч человек и свыше 400 орудий 19 августа она попыталась взять Порт-Артур штурмом, но через 5 дней с большими потерями была отброшена на исходные позиции. Японцы стали возводить линии окопов и полевых укреплений вокруг крепости. В начале сентября они смогли захватить стратегически важную высоту Длинную. Другую высоту — Высокая защитникам городам удалось отстоять.
В середине октября в Порт-Артуре стала остро ощущаться нехватка продовольствия. Это, как и начавшиеся холода, вызвали распространение болезней среди осажденных. В середине ноября в порт-артурских госпиталях находилось более 7 тысяч раненых и больных цингой, тифом и дизентерией. Китайское население города, насчитывавшее во время осады 15 тысяч человек, находилось в еще более тяжелом положении и по-настоящему голодало. 30 октября после 3-дневной артподготовки японцы предприняли третий штурм Порт-Артура, длившийся 3 дня и закончившийся безрезультатно. 26 ноября начался четвертый штурм. 5 декабря японские войска захватили высоту Высокая и смогли установить 11-дюймовые гаубицы для обстрела гавани. Это сразу же повысило точность артиллерийской стрельбы. В тот же день японские батареи потопили броненосец «Полтаву», 6 декабря — броненосец «Ретвизан», 7 декабря — броненосцы «Пересвет» и «Победа» и крейсер «Паллада». Тяжелые повреждения получил крейсер «Баян».
15 декабря был убит командующий сухопутной обороной крепости генерал Р.И. Кондратенко. У защитников Порт-Артура подошло к концу продовольствие, хотя сохранялся еще запас снарядов. 2 января 1905 года комендант Стессель, полагая, что шансов на выручку со стороны Маньчжурской армии в обозримом будущем нет, капитулировал. Впоследствии он был осужден военным судом за малодушие, но помилован царем. С точки зрения сегодняшнего дня решение Стесселя не заслуживает осуждения. В условиях полной блокады, когда все позиции русских находились под прицельным артиллерийским огнем, а гарнизон не имел съестных припасов, Порт-Артур не продержался бы больше двух-трех недель, что никак не могло повлиять на ход военных действий.
В Порт-Артуре сдалось в плен 26 тысяч человек. Русские потери убитыми и ранеными за время осады составили 31 тысячу человек. Японцы потеряли убитыми и ранеными 59 тысяч человек и 34 тысячи — больными.
С падением Порт-Артура, который представлял собой главный пункт русско-японской войны, основная японская цель была достигнута. Сражения в Маньчжурии, несмотря на то что там с обеих сторон участвовало во много раз больше сухопутных войск, носили вспомогательный характер.[9] Японцы не располагали силами и средствами для оккупации Северной Маньчжурии, не говоря уже о русском Дальнем Востоке. Куропаткин придерживался стратегии истощения, рассчитывая, что затяжная война исчерпает людские и материальные ресурсы Японии и вынудит ее прекратить войну и очистить оккупированные территории. Однако на практике оказалось, что затягивание войны гибельно именно для России, поскольку там уже в январе 1905 года началась революция. Общее численное превосходство русской армии в значительной мере компенсировалось тем, что с Дальним Востоком Европейскую часть империи связывала всего лишь одна Транссибирская железная дорога.