12月11日，在確認港口裏的軍艦均已被擊沉以後，日軍中止了巨炮對旅順港的炮擊，轉向對旅順市區進行打擊。由此旅順口白天人跡全無，全都躲進了地下室和死角處。而這時在旅順城裏，部隊和住民的生活越來越艱難，醫院內滿是壞血病患者，藥品匱乏、食品不足、物價飛漲。守備司令官斯特塞爾下令收集儲備戰略儲備，就連華東政府的幾家商鋪也都被俄軍征集，做為臨時醫院，物資也大部份被調用。英國貨船“亞瑟王”號12日停靠白狼灣，從孟買運來了5萬袋小麥粉，斯特塞爾指示收做戰略儲備，不許發放，令市民和官兵很不滿。
這時旅順防區司令斯特塞爾中將招集軍官，提出：203高地丟失，太平洋艦隊被全部殲滅，旅順口作為要塞的重要性已經喪失；為了傷員和疲憊官兵著想，應考慮結束這種局麵，該商議投降問題了。”
要塞司令斯米爾諾夫少將則認為：203高地不過是一個前哨據點，主抵抗線依舊健在，而太平洋艦隊雖被全部殲滅，但旅順防禦的本質不應改變，而且旅順至少牽製了日本10萬左右的軍隊，對支持北線作戰的意義極大，另外炮彈量足夠應付兩次大會戰，子彈尚有一千萬發，糧食尚有一個月的儲備，因此還未到絕望的境地，即使要投降，也得等到來年一月以後再議。
12月15日，參諜長康德拉琴科少將在視察東雞冠山炮台時中炮身亡，這不僅是俄國陸軍陣亡的第一位高級軍官，而且他是旅順防禦計劃和防線的主要設計者，也是要塞司令斯米爾諾夫少將的得力助手，因此康德拉琴科少將的陣亡，對俄軍的士氣是一個很沉重的打擊，並預示著旅順的陷落變成了一個時間問題。
12月18日，經過艱苦的土工作業，日軍埋在東雞冠山堡壘下邊的2300公斤炸藥被引爆，摧毀了這個幾乎無法攻克的堡壘，日軍趁勢攻占了東雞冠山。旅順東北的門戶大開。
12月28日日軍又攻占了旅順正北的二龍山堡壘，繼續擴大了旅順防線的缺口。
而這時俄軍終於抗不住了，經過了3天的協商之後，1月1日，1905年新年的第一天，旅順防區司令斯特塞爾中將和要塞司令斯米爾諾夫少將派人向日軍遞交了請降書，旅順守備部隊剩餘的32500人，都成了日軍的俘虜。
旅順戰役的時間長達近1年，日軍先後共計投入了136000人次，而傷亡高達62000人，陣亡人數超過30000人，而俄軍陣亡23000人。可以說日軍為了攻克旅順，是付出了相當嚴重的代價。但攻下旅順之後，日軍的收獲也是巨大的，不僅在戰略上進一步鞏固了日軍的優勢，在戰術上也終於解除了日軍的後顧之憂，可以讓日軍集中全力來應對北線的戰鬥，而不用再兩線作戰；而且攻克旅順之後，圍困旅順的6萬餘日軍也終於被解脫出來，可以北上增援，這支兵力的增加，對於在遼陽、沙河兩戰中，一直飽受兵力不足之苦的日軍來說，是十分極時和重要的。現在日本也可以集中兵力來應對下一階段的戰鬥了。
而對海軍來說，攻克旅順的意義更大，因為海軍是最先參戰的，主戰場一直都在旅順海減，並付出了兩艘戰列艦的慘疼代價，現在終於攻克了旅順，對海軍來說也完成了一項階段性任務，而且殲滅了太平洋艦隊之後，日本己經全麵獲得了製海權，因此聯合艦隊也可以返回日本，進行一次全麵的修整。
從開戰以來，聯合艦隊己經連續作戰了11個月，不僅僅是艦上的官兵都己經疲憊之極，連軍艦也都有些吃不消了，在前麵的戰鬥中各主力軍艦多少都有些損傷，但由於戰事緊張，因此如果不是對軍艦的戰鬥力有較大影響的話，都不會回日本去修理，另外由於連續作戰各軍艦的機械磨損也十分嚴重，而且水線以下的部份己附著滿了各貝類海澡，對軍艦的航速性能有很大的影響，而現在也終於可以將軍艦進行全麵的修理和保養，讓艦隊以最好的狀態迎戰第二太平洋艦隊。
而且在前麵的戰鬥中，海軍也暴露出了不少的問題，最大的兩個問題是命中率太低，戰術指揮過於呆板，因此也可以利用這段時間，抓緊炮術訓練，並且研究戰術指揮，以全新的麵貌再出擊。
最為重要的是，日本內閣也終於鬆了一口氣，總算是在時間節點之前攻占了旅順，讓日本重新恢複了信心，看到了獨立擊敗俄國的希望。這時戰場暫時處於對持狀態，日俄雙方都在為下一次戰鬥積蓄力量，於是內閣又聯合大本營、軍令部招開內閣會議，討論下一步的戰鬥進程。