旅顺位于辽东半岛最南端，与威海卫隔海相望，共扼渤海门户。旅顺作为北洋水师重镇，由李鸿章耗时十六年、耗资数千万建成，船坞、炮台、军储的实力为北洋军之首，被称为“远东第一军港”。旅顺不仅背靠群山，而且主要山峰上都设有炮台：东面有松树山、二龙山、鸡冠山等炮台，西面有椅子山、案子山、望台北等炮台，共有加农炮、榴弹炮、野炮、山炮等各种大炮七十八门。
关于旅顺之险要，黄遵宪曾赞道：“海水一泓烟九点，壮哉此地实天险！炮台屹立如虎阚，红衣大将威望俨。”
驻守旅顺的清军，原有记名提督黄仕林、记名总兵张光前各两营，后各增募两营，共八营4100人。后增加临元镇总兵姜桂题四营、记名提督程允和四营，共八营4000人。11月初，李鸿章又派记名提督卫汝成的五营3000人，再加上金州、大连湾败退的连顺、徐邦道、赵怀业残部，总兵力为14700人。清军兵力虽多，但诸军互不联络，均无固守的信心。八位统领互不隶属，各行其是。虽然临战前公推姜桂题为总督都，但他战守无策，一味告援，不能改变诸军相互观望坐视的局面。
日本第二军在夺取大连湾后，为攻克旅顺，在大连湾整休一旬。同年11月17日拂晓，日本第二军除在金州、大连湾留下少量部队外，全部出动进犯旅顺。
日军兵分三路：一为右翼纵队，由第一师团、混成第十二旅团及攻城炮队组成，山地中将为主将，乃木、西宽、长谷川三少将为其下属；二为左翼纵队，由步兵第十四联队、骑兵一小队、山炮一中队、工兵一中队组成，满益少佐为指挥；三为骑兵搜索队，由骑兵一大队组成，秋山少佐为指挥。
这一天，右翼纵队和搜索骑兵在三十里堡宿营，左翼纵队在辛塞子宿营。
18日早晨6时左右，右翼纵队从三十里堡出发，下午2时30分到达营城子。
同日上午10时，搜索骑兵队第一大队长秋山好古率领的前锋到达土城子，此时清军3000余人突然出现，将骑兵队团团围住。日军骑兵陷于重围之中。秋山下令突围，向双台沟方向逃去。此次土城子迎击战，日军死伤55人，但此后清军却不敢主动出击，消极防御。
11月20日，日军司令大山岩在李家屯西北的高地上召开各级将校会议，决定21日凌晨2时发动总攻。次日，各军进入预定的阵地。骑兵搜索队警戒盘龙山以西，部分骑兵搜索通向旅顺的道路；右翼纵队第一师团攻椅子山炮台，混成第十二旅团攻二龙山炮台；左翼纵队在旅顺东北布阵，牵制清军；军司令部驻土城子南；联合舰队在旅顺海口一字摆开，牵制清军兵力。
11月21日晨6时40分，日军逼近各炮台，西宽少将为先锋，率领第三联队首先攻扑椅子山最西的炮台。炮兵则在椅子山西面布阵，同时攻击椅子山的三个炮台。清军发炮应战，但由于日军大炮命中率高，炮台被摧毁。最后第三联队的步兵发动冲锋，一举攻下椅子山的三个炮台，时为上午8时。
山地中将攻下椅子山炮台后，又令炮队攻击松树山炮台。
炮弹击中其火药库，“轰轰轰”地猛烈爆炸不绝于耳，松树山炮台彻底被毁。此时长谷川少将的混成旅团正在攻打二龙山炮台和鸡冠山炮台，由于第一师团各部队包抄两炮台的背后，清军腹背受敌，终于不支而退，二龙山、鸡冠山两炮台失陷。时近中午，旅顺背后各炮台大都陷落，所剩的只有海岸炮台。海岸诸炮台以黄金山炮台最为坚固，日军第二联队长伊濑知好成大佐奉命攻打该炮台。当日军一逼近黄金山炮台时，清军东岸守将黄仕林便弃炮台逃走，炮台被日军轻易占领，时为下午5时。东岸其他炮台如摸珠礁、老砺嘴等炮台守兵不战而逃，东岸炮台全部失陷。
到晚上，西岸炮台尚在清军手中。但是当夜张光前率领部下沿西海岸向北撤退，西海岸诸炮台也尽归日军所有。
旅顺半岛20多个炮台，一天内全部被日军占领，清军战死约2000余人，日军仅损失280人。
清政府将总理船政、专办水陆营务的道员龚昭与以“不能联络诸军同心固守，迨船坞失陷避至烟台”等罪名逮捕，交与刑部治罪。
日军攻占旅顺后，对城内进行了4天3夜的抢劫、屠杀和强奸，最早认为死难者约20000人，只有埋尸的36人幸免于难，后经考察生还者大概约800余人，这就是震惊世界的旅顺大屠杀。
据英国人艾伦的《龙旗翻卷之下》记载：“日本兵追逐逃难的百姓，用枪杆和刺刀对付所有的人；对跌倒的人更是凶狠地乱刺。在街上行走，脚下到处可踩着死尸。”
“天黑了，屠杀还在继续进行着。枪声、呼喊声、尖叫声和呻吟声，到处回荡。街道上呈现出一幅可怕的景象：地上浸透了血水，遍地躺卧着肢体残缺的尸体；有些小胡同，简直被死尸堵住了。死者大都是城里人。”
“日军用刺刀穿透妇女的胸膛，将不满两岁的幼儿串起来，故意地举向高空，让人观看。”
据美国《纽约世界》记者克里曼描述：“我见一人跪在兵前，叩头求命。兵一手以枪尾刀插入其头于地，一手以剑斩断其身首。有一人缩身于角头，日兵一队放枪弹碎其身。有一老人跪于街中，日兵斩之，几成两段。有一难民在屋脊上，亦被弹打死。有一人由屋脊跌下街心，兵以枪尾刀刺插十余次。”
“战后第三日，天正黎明，我为枪弹之声惊醒，日本人又肆屠戮。我出外看见一武弁带兵一队追逐三人，有一人手抱着一无衣服的婴孩，其人急走，将婴孩跌落。一点钟后，我见该孩已死，两人被枪弹打倒。其第三人即孩子之父，失足一蹶，一兵手执枪尾刀者即刻擒住其背。我走上前，示以手臂上所缠白布红十字，欲救之，但不能阻止。兵将刀连插伏地之人颈项三四下，然后去，任其在地延喘待死。”
“次日（11月24日）我与威利阿士至一天井处，看见一具死尸。即见两兵屈身于死尸之旁，甚为诧异。一兵手执一刀，此两人已将尸首剖腹，刳出其心”“我经过各街，到处见尸体均残毁如野兽所啮。被杀之店铺生意人，堆积叠在道旁，眼中之泪，伤痕之血，都已冰结成块。甚至有知灵性之犬狗，见主人尸首之僵硬，不禁悲鸣于侧，其惨可知矣”。
据英国法学家胡兰德记载：“当时日本官员的行动，确已越出常轨。他们从战后第二天起，一连四天，野蛮地屠杀非战斗人员和妇女儿童。在这次屠杀中，能够幸免于难的中国人，全市中只剩36人（后考察生还者约800余人）。而这36人，完全是为驱使他们掩埋其同胞的尸体而留下的。”
“其中有一个叫鲍绍武的人说：‘我们来参加收集尸体时，看到有的人坐在椅子上就被捅死了。更惨的是，有一家炕上，母亲身边围着四五个孩子，小的还在吃奶就被捅死了’”。
旅顺大屠杀之前，日本就为掩盖事实真相做了周密的部署。1894年6月，日本陆军省偕海军省联合颁令，严禁本国所有报刊登载军事新闻，以免泄漏日军对中国的侵略企图。
8月1日，内务省即宣布对有关甲午战争的报道实施“审阅”制度，各报社发稿前，均须将原稿送呈指定的警保局，加盖了“审查批准”印戳的，方可发表。凡被认属“有污点的事件”，则打上“禁止刊登”之印记，用墨水涂毁。
9月中旬，大本营规定，改行新的《新闻材料公示程序》。全国报刊的记者们，只能到大本营设在广岛的副官部去，申请检索当局“许可公布”的消息。而且刊登之后，皆应寄交一份报刊给副官部备案。
与此同时，大本营对若干被允准随军采访的日籍记者（约130名，包括11名画家、4名摄影师，分属66家报社），下达了极端苛峻的“随军纪律”，并指派军官全程监视，一旦某人被军方视为“有害的记者”，立马押遣回国，给予重罚。
由于日本政府对事件真相的成功掩盖，当旅顺攻陷的消息传至日本本土，全国多处游行举宴，高呼万岁，庆祝胜利。东京股票市场也反弹暴涨，“盛况宛如鼎沸”。
大本营随后将第二军在旅顺劫掠的大批“战利品”运回国内，展示于东京的靖国神社，前往观展的人流“比到浅草、上野观光的还要多”。
“战利品”这个名称在日本国内成为时尚，许多商家纷纷推出以“战利品”命名的新商品，并得到畅销。当屠杀的报道终于浮现时，日本社会也为之震惊。
旅顺大屠杀之后，英国的中央通讯社和路透社先后被陆奥宗光指使日本驻英临时代理公使内田康哉收买。“每当有不利（日本）的报道刊登在当地报纸上”，这两家新闻机构通常都立刻出马，给予反宣传。
路透社“及时制止”了本社记者从上海发来的揭露旅顺“野蛮惨害”的电稿。中央通讯社则辩称：“除战时正当杀伤之外，（日军）无杀害一名中国人”。类似的还有美国的《华盛顿邮报》、日本的《日本邮报》、《日本周刊邮报》以及意大利等国的若干报刊。
直到11月26日，还是有大洋彼岸的英国《泰晤士报》刊出电讯：据报告，在旅顺发生了大屠杀。这是世界上最早披露有关“旅顺大屠杀”的信息。
11月29日，美国的《世界报》刊登了来自中国芝罘（今烟台一带）的一则报道：“日本军（在旅顺）不分老幼全都枪杀，三天期间，掠夺与屠杀达到了极点”。
该报于12月12日、13日、19日、20日连续数天刊登“战争特派员”克里曼的长篇“纪实报告”：《日本军大屠杀》及《旅顺大屠杀》，称：“日本为蒙文明皮肤，具野蛮筋骨之怪兽”，掀起了轩然大波。而英国的《泰晤士报》与《标准报》跟进报道，又起到了推波助澜的作用。
“人们在得悉事件详情的同时，无不对远东的暴行感到战栗、痛心、愤怒”。克里曼的数字是两千人遇害，而维利尔斯的数字则是两万人遇害。