後來，日軍指揮官下達“踏屍猛進”的命令，攻入炮壘前沿300米處，其先頭敢死隊踏響清軍地雷，死傷多人。
日軍“喋血越屍”苦戰肉搏，清守軍用速射炮迎擊。兩軍激烈交火，山搖地動。
雙方搏鬥4個多小時，攻方不斷增兵，守軍孤立無援，中午11時30分，清軍撤離炮兵陣地。
日軍左翼縱隊在步兵第十四聯隊長益滿邦介率領下，於17日經辛寨子、岔溝沿崎嶇山路向旅順東北進擊。
20日晚，前哨進至龍頭，大隊在鶯歌石宿營。
21日上午占領雞冠山東北的團山子，9時50分開始向雞冠山炮台發起進攻。
守雞冠山炮台的拱衛軍，在徐邦道指揮下頑強抵抗。南麵的黃金山海岸炮台也用24厘米的遠距離重炮進行支援，向日軍側翼進行猛烈的炮擊，雙方展開激烈的戰鬥。
10時50分，擊斃日軍步兵第十四聯隊第一大隊長花岡正貞少佐。但不久，日軍攻占了二龍山炮台後，派一個步兵大隊前來支援。
11時45分，日軍首先攻占了東雞冠山炮台。接著，大坡山、小坡山炮台及蟠桃山臨時炮台也相繼被攻陷。徐邦道率軍退入市區。
當天上午，駐守白玉山的衛汝成預備隊，由於主將衛汝成臨陣先逃，部隊無人指揮，士兵放棄陣地，紛紛向海岸炮台逃跑，致使白玉山炮台失陷。到11時50分，旅順口後路所有炮台、堡壘全為日軍所占。
12時20分，大山岩司令在軍部發布命令：除少數部隊守衛台壘外，全力向海岸及市區進攻：第1師團攻擊市區；混成旅團（第12旅團）占據市區東北部，防止清軍從東路逃走，同時策應主力部隊攻擊市區；搜索騎兵監視旅順口西麵，並警戒日軍右翼。
攻城戰開始之初，日軍遭到黃金山守軍的猛烈炮擊。
黃金山居高臨下，炮台內有各種炮20餘門，其中有24厘米遠射程克虜伯重炮3門，這種重炮可做360度射擊，機動性大、火力猛烈，對進犯日軍威脅很大。
日軍為擺脫被動，轉派2個聯隊猛攻黃金山。
清軍將士同仇敵愾，奮勇反擊日軍，但主將黃仁林見後路失陷，敵軍攻勢又猛，異常恐慌，撇下士兵，自己先走。
守壘軍士堅持到下午5時，因指揮無主，被迫放棄炮台，沿旅順口東路向北撤退。於是，日軍連續占領黃金山、東人字牆和模珠礁等陣地。
在旅順口海防西線，饅頭山、城頭山守軍和從後路撤下的清軍，仍固守陣地與敵抗爭，直到日落天黑。日軍不明虛實，暫停攻勢，打算天明後再戰。
這天夜裏，陰雲密布、風雪大作。西路清軍在徐邦道、張光前、薑桂題、程允和率領下在茫茫漆黑的深夜由西部海岸向北，取道南關嶺退往複州。
次日淩晨，日軍進攻中發現炮台無人，上午10時30分，進入西路炮台。
至此，清軍海陸炮台20餘座全部失陷，李鴻章經營14年之久，耗資白銀1億兩，船塢、炮台、軍儲東亞一流的旅順口，竟於一日之間完全淪入日軍之手。
旅順口海陸炮台20餘座所配備的新式克虜伯重炮和各種大小炮火140餘門，以及水雷營、魚雷營、船塢等各種軍事設施，彈藥、糧餉等各處物資，全歸日軍所有。
旅順攻防戰中雙方傷亡人數，據日方記載：日軍死亡將卒40人、傷241人、失蹤7人。死傷合計288人。
清軍傷亡約2500人。許多清軍戰敗後來不及退走，放下武器，藏匿在市區居民家，被日軍逐戶搜出後加以殺戮。