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日方鉴于自己兵力不足，而俄国增援部队源源开到远东，战争旷日持久对己不利。唯一出路是把困在旅顺的第3军解脱出来。同时，俄国波罗的海舰队正在东调途中，一旦与远东舰队会合，实力将超过日本舰队。因此，日本统帅部利用沙河会战后俄军按兵不动之机，将全部后备力量投入对旅顺的攻击，力争尽快夺取旅顺。
早在1904年8月日军首次强攻旅顺受挫之后，就加强了第3军的兵力，运来11英寸口径的攻城炮，在旅顺外围构筑了炮兵阵地和平行壕，对俄军的防御工事步步进逼。9月19日，日军发动第2次强攻，迨至10月30日，发起了第3次强攻，但仍然没有取得重大进展。大山岩命令乃木希典交出指挥权。暂时由总参谋长儿玉源太郎指挥，儿玉对炮兵的运用远远强于乃木，经过调整部署后，一天就攻克了203高地。高地的陷落，基本上决定了旅顺战局的命运。日军在高地上建立观察哨，校正炮兵射击，以大口径榴弹炮袭击俄国舰队。12月15日，被俄国人称为旅顺俄军防御“灵魂”的康得拉钦科将军毙命。1月2日俄方正式签订投降文书。此时俄军尚有官兵3．24万名，火炮610门，炮弹20．3万发。整个旅顺战役过程中，俄军损失4．4万余人，日军损失约6万人。
旅顺争夺战是日俄战争中具有重大意义的事件。只要旅顺牵制着大量日军，只要旅顺口的俄国舰队还存在，日军就无法决定战争的结局。如果俄国欧洲地区的舰队东调，还可能改变海上形势，并切断日军海上补给线。因此日军不惜重大代价攻取旅顺，归根到底是解决日俄战争的根本问题——制海权。