1894年11月19日，日軍第二軍三路縱隊全部進抵旅順口背後的防禦陣地，21日，日軍按作戰部署開始了對旅順口陸路防線的進攻。日軍的進攻部署分左、右兩翼及搜索騎兵三路：
右翼縱隊：由第一師團、混成第二十旅團和攻城炮隊組成。總指揮是山地元治中將，副指揮為乃木、西寬、長穀川三位少將。主攻旅順後路西側的椅子山、案子山、鬆樹山、二龍山一帶。
左翼縱隊：由步兵十四聯隊、騎兵第一小隊、山炮一中隊和工兵二中隊組成，益滿中佐任指揮。攻擊旅順後路東側的東雞冠山一線。
搜索騎兵：由騎兵一大隊組成，秋山少佐指揮，主要是偵察、搜索和聯絡。
其時旅順駐清軍33營，12000人，來犯日軍15000餘眾，計有步兵15個大隊、騎兵3個中隊、工兵4個中隊、炮兵14個中隊，擁有各種炮78門。
清軍防禦部隊的陣勢為：
東線鬆樹山、二龍山和東雞冠山一帶，由薑桂題、徐邦道駐守，總計14營2哨；
西線案子山、椅子山一帶由程允和的和字步隊3營防守；白玉山東麓從北路通市區的要道，由衛汝成的成字步隊5營和馬隊一哨駐守。
從金州、大連灣撤回的連順、趙懷業殘部作為預備隊留守市區。海防一帶，黃金山諸炮台防務仍由黃仁林諸營擔任，海口西岸的威遠炮台、饅頭山炮台由張光前駐守。
旅順西北的椅子山、案子山炮台是日軍進攻重點。
21日淩晨1點，西寬二郎率第二旅團乘暗夜由石嘴子宿營地出發，到達椅子山左側。同時將炮兵第一聯隊的12門山炮、24門野炮及4門攻城炮布置在椅子山的西方和北方高地。
早晨7時，日軍開始對案子山堡壘發起進攻。
日軍用數十門山炮、野炮、攻城炮，從椅子山的西方和北方組成十字火力向清軍陣地狂轟濫炸。清軍案子山炮台及東側的鬆樹山炮台也用大小炮火進行還擊。黃金山炮台也以24厘米的大口徑遠距離重炮進行支援。
兩軍炮聲轟轟烈烈，大有山河為之碎裂，天地為之震顫之勢。
在炮火掩護下，西寬二郎指揮步兵、騎兵向案子山堡壘發起攻擊。
當日軍攻至3000米左右時，守壘清軍和字營在程允和指揮下，用各種火力進行猛烈還擊，子彈雨點般射向日軍。
日軍由正麵衝不上去，冒死向西迂回到案子山西側的石板橋和北太陽溝，將部隊隱藏在案子山低炮台高地西側的死角地帶。並集中炮火向案子山低炮台攻擊。守炮台清軍用數門機關炮向進攻的日軍瞰射，極力防守。
這時，日軍傾所有的大炮集中向低炮台轟擊，以掩護步兵衝鋒。
7時25分，日軍接近炮台200米，清軍堅守不屈，日軍死傷多人。
7時30分，日軍距炮台僅百米，清軍冒著敵人彈雨，呐喊著衝出堡壘，與日軍展開了激烈的白刃格鬥。
戰鬥持續了一個多小時，雙方互有傷亡。後因敵軍炮火猛烈，敵眾我寡，陣地相繼失陷。8時15分，日軍突破陸地防線，占領案子山等西線炮台。
案子山失陷後，日軍全力攻擊鬆樹山。
戰鬥開始不久，日軍炮火就擊中炮台下側的火藥庫，引起爆炸，大火燃燒，子彈四處飛射。清軍大亂，倉皇向東麵的二龍山撤退。
11時，山地元治中將指揮的日軍攻占了鬆樹山炮台。同一時間，日軍長穀川少將指揮混成旅團向二成山陣地進攻。
日軍的第二中隊，從山下蟻附攀登。守軍居高臨下，俯射來敵，多次打退日軍衝鋒，敵軍傷亡慘重。