只要旅顺继续掌握在俄国手中，它的舰队就随时可威胁在“南满”登陆的日军的海上交通线。不占领旅顺，日军无法在东北进行大规模的地面作战。因此，在将近1个月的时间内，日方积极准备对旅顺的第2次进攻，专门编组了执行这项任务的第3军(第2军已奉命北上)，任命乃木希典为军长。此人甲午战争时担任旅长，曾一举攻克旅顺。第3军所配备的火炮大部分是攻城炮。
与此同时，尼古拉二世也指示远东俄国陆军总司令库罗帕特金发动攻势，责成他“对旅顺的命运负责”。彼得堡警告库罗帕特金说：如丢掉旅顺，“将是新的最沉重的打击，不仅有损于俄国在远东的政治军事威望，而且有损于在近东、中亚和欧洲的政治军事威望。无疑，俄国的敌人将利用这一点尽可能使我们为难，而朋友则将把俄国视为软弱的同盟者而加以抛弃。”在沙皇政府的压力下，库罗帕特金勉强派出1个军(施塔克尔堡指挥的西伯利亚第1军)南下支援旅顺。1904年6月14～15日，该军在得利寺、瓦房店地区与日第2军遭遇，俄军一败涂地，狼狈退却。从此旅顺与东北俄军主力的联系被完全切断。日军为进攻旅顺，必须确保第3军后方的安全，使它不致遭到集结于辽阳以南地区俄军的打击。因此，1904年6月下旬，第1、第2、第4(从大孤山登陆)3个军开始向辽阳方向移动，企图牵制俄军于该地。1904年6月26日起，日军恢复了辽东半岛上的军事行动。但占领了横山等制高点以后，又转入防御，等待增援。1个月后，日第3军恢复对旅顺的攻势。此时，防守旅顺外围各隘口的俄军第44、第7两个师，兵力约1.6万人，火炮70门，另有战舰支援。但在斯捷塞尔指挥下，节节败退。1904年7月30日，俄军放弃旅顺外围最后一道天然屏障——狼山，福克师在该处一共只坚守了半天。当日，俄军开始撤进要塞。甚至连日本人也没有估计到俄军退却如此之快。
从战争爆发到1904年7月底近半年中，旅顺要塞的防御有所加强。守军增到4万人，炮646门，机枪62挺。海军有战舰38艘。但物资储备不足以应付长期围困。例如炮弹，平均每门炮只有400发。防御工事不坚固，伪装不严密。特别是指挥无能。负责旅顺防务的斯捷塞尔是个常败将军，他从金州失守开始，就主张放弃旅顺外围一切要地，退入要塞，等待增援。甚至库罗帕特金也感到此人不宜继续担任指挥，曾命令他将指挥权交给斯米尔诺夫将军。但斯捷塞尔对斯米尔诺夫隐瞒了电报，以致后者直到战争结束以后才知道对自己的“任命”。舰队司令威特赫夫特也强调敌强己弱，拒绝出海，始终龟缩在港内。
包围旅顺的日军兵力达6万人，火炮400门(其中攻城炮198门)，机枪72挺。同时，日方以舰队(52艘战舰)封锁了港口。
1904年8月7日，日军发动进攻。首次攻占要塞外围前沿制高点——大孤山和小孤山。日军以12个营对俄军3个营。双方为争夺这两个战术要点激战了4天。最后高地落入日军之手。1904年8月10日，俄国舰队奉阿列克塞耶夫之命，试图突破封锁，开往海参崴。但由于威特赫夫特准备不周，指挥失当，与日舰队遭遇，当场战死，其余舰只被迫缩回基地;部分舰只逃到中立国港口，被解除武装(日俄黄海海战)。1904年8月12日，俄海参崴分舰队在蔚山海战中被日军上村彦之丞的第二舰队摧毁，1904年8月19日，日军对要塞发动首次强攻，昼夜突击，双方激战到8月24日。日军夺占了一些前沿工事，但伤亡约2万人(占总兵力1/3)，士气低落，自伤者大有其人。俄军也伤亡3500人。至此，日军放弃了迅速攻占旅顺的打算，改取长围久困之计
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