Русско-китайская конвенция 1898 года передавала Порт-Артур в аренду России на 25 лет с правом продления этого срока. Довольно быстро небольшая деревушка на Ляодунском полуострове была преобразована, здесь развернулось строительство базы русского военного флота на Тихом океане. В Порт-Артуре уже к 1904 году работал русско-китайский банк, возвышались здания инженерного управления и штаба военной администрации, а вокруг тянулись многочисленные солдатские казармы. К тому момент в городе проживали более 50 тыс. человек.
В преддверии Русско-японской войны далеко не все русские военачальники рассматривали Порт-Артур как объект высокого интереса противника. Так, например, главнокомандующий русских войск в Маньчжурии Евгений Алексеев в своём плане военных действий указывал, что «наступление японской армии к Порт-Артуру немыслимо, почему для обороны его можно назначить только гарнизон с небольшими добавлениями». В то же время военный корреспондент Daily Mail Бенджамин Норригаард, отмечая слабую подготовку войск, писал: «Русские оказались, однако, не в курсе современного развития фортификационного искусства и большинство их укреплений были того же типа какой применялся ещё в половине прошлого столетия». Ещё более пессимистично отзывается об обороне крепости генерал-майор Костенко: «Артур не только не имел ни права, ни оснований считаться «твердыней», но далее действительно не носил характера укреплённого лагеря. В своём первоначальном виде Артур положительно безнадёжен был в смысле защиты и уязвим в любом его пункте. Вполне оправдывалось на Артуре также замечание и одного из наших популярнейших генералов, что «макаки» начинают войну с «кое-каками».
Как бы то ни было, в преддверии лета 1904 года Порт-Артур оказался отрезанным по суше от Маньчжурской армии, спустя некоторое время было перекрыто морское сообщение, наконец, 30 июля 1904 года фактически началась осада крепости японскими войсками.
В начале августа японцы атаковали передовые укрепления крепости: в результате упорных боёв ценой серьёзных потерь японцы смогли овладеть редутами Дагушань и Сяогушань. Первые успехи придали японскому руководству уверенности — войска генерала Ноги тут же начали готовиться к штурму.
«Надо же было набрать в Порт-Артур таких начальников», — сетует в своём дневнике адмирал Фон Эссен. Описывая неразбериху во время первого штурма, он рассказывает: «Лодкой «Гремящий» командовал капитан 2 ранга Николаев — уже очень пожилой человек, присланный на восток для отбывания ценза. Этот командир захворал тотчас же, как только его лодке представилась перспектива принимать участие в военных действиях. «Гиляком» командовал Стронский — молодой офицер, но не обладающий ни энергией, ни смелостью, столь необходимыми для командира».
Сотрудник порт-артурской газеты «Новый край» Ларенко в своих воспоминаниях так описывает штурм крепости японцами: «Сегодня с самого утра на наших батареях — целый ад, японцы бомбардируют наш северо-восточный фронт, сосредоточивая то на одной, то на другой батарее огонь, наши батареи стреляют так же усиленно. Горы покрыты дымом от рвущихся японских снарядов и от выстрелов наших орудий, а над этим чёрным дымом и пылью рвётся на воздухе белыми дымками, будто клочками ваты, шрапнель, осыпая позиции дождём пуль. Гул и рокот сливаются так, что нельзя разобрать, кто и откуда стреляет и где рвутся снаряды».
«До самой темноты гремели непрерывные залпы орудий, а в крепости, в районе расположения 10-го полка, гремела музыка и раздавались неоднократные взрывы «ура» — это 14-й полк, стоящий здесь в резерве, продолжает свой полковой праздник: там гром разрывов, бой и смерть, а здесь весёлые клики и совсем уж не воинственные звуки полкового оркестра», — вспоминает этот день в своём дневнике полковник Рашевский.
В течение четырёх дней японский генерал Ноги безуспешно пытался овладеть крепостью: в результате он, по оценкам историков, потерял почти половину своих солдат — около 20 тыс. убитыми. Потери русских составили около 3 тыс. человек. Несмотря на это, жители крепости были в негодовании. Так, например, инженер Михаил Лилье писал: «На душе была тоска и вместе с тем тупое озлобление на петербургских карьеристов, на корейских лесопромышленников, на всех тех, которым так сладко жилось вдали от этих мест, где из-за них теперь лилась ручьями народная русская кровь».
Неудачный штурм вынудил японских военачальников перейти к длительной осаде: они ждали подкреплений и строили осадные сооружения. Уже в первые месяцы морской и сухопутной блокады русские стали испытывать проблемы с продовольствием. Журналист Ларенко упоминает: «В то время как всюду, в городе и на позициях, наступила жизнь впроголодь, узнаём, что у генерала Стесселя имеются ещё сто свиней и много всякой другой съедобной живности. Он запасся основательно всем. По его адресу слышны злобно-иронические замечания, между прочим, задаётся вопрос — если у генерала Стесселя 100 свиней, так сколько же там свиней всего? Ответы не сходятся».
Английский журналист Норригаард, живший в японском военном лагере, в своих материалах рассказывал: «Перестрелка не прекращалась ни днём, ни ночью, иногда в траншеи попадали шрапнели и снаряды, так что солдаты никогда не могли быть спокойными и должны были быть постоянно настороже в течение недели, которую они проводили в этих окопах. Если они забывались хотя бы на минуту и высовывали голову из траншеи, то они подвергались обстрелу и часто бывали убиты на месте, так как русские назначали для этого своих лучших стрелков».
Второй штурм японцы провели в начале сентября. «Главное внимание японцев обращено на Высокую гору. Там всё время, не переставая, идёт сильнейшая ружейная перестрелка, к которой по временам присоединяются раскаты орудий, посылающих целые тучи лиддитовых снарядов. Со стороны кажется совершенно непонятным, как можно остаться целым и невредимым в этом аду и продолжать отбивать отчаянные атаки неприятеля», — вспоминал первый день штурма инженер русской армии Михаил Лилье. Действительно, жестокий и упорный бой шёл за Высокую гору, которую японцам так и не удалось взять. Особый героизм, по свидетельствам очевидцев того сражения, проявил лейтенант Подгурский, который с тремя охотниками выбил шашками три роты японцев, занявших укрепления. Очередная атака была отбита, в результате неё японцы потеряли в четыре раза больше солдат, чем русские.
После ещё одной неудачи японцы сконцентрировались на саперных работах: они рыли траншеи к фортам и укреплениям Порт-Артура. За время продолжительной осады истощились запасы провизии: фронтовики дважды в неделю получали конину, в остальное время им приходилось довольствоваться хлебом. К тому же в крепости свирепствовала цинга, которая не хуже пуль и снарядов уменьшала численность гарнизона.
Третий штурм в конце октября японская армия опять же провалила: генеральная атака закончилась разгромом японцев. «В общем, несмотря на адов огонь, японцы не овладели не одним солидным укреплением: если ещё нам удастся отбить также следующий штурм, то, пожалуй, мы вовсе отсидимся», — такую запись в своём дневнике оставил в день японской атаки полковник Рашевский.
Действительно, следующий штурм не заставил себя долго ждать: получив подкрепления, армия генерала Ноги в конце ноября предприняла самую масштабную атаку на крепость Порт-Артур. За десять дней японцы так и не смогли прорвать фронт русских, зато выполнили важную стратегическую цель — заняли гору Высокая, с которой просматривалась вся порт-артурская гавань. Тут же японские артиллеристы открыли огонь из 11-дюймовых гаубиц по городу и кораблям эскадры.
При этом британский журналист Норригаард писал не об успехах японцев, а о героическом подвиге русских солдат: «Обе стороны сражались безумно, в особенности русские, которые в этот день нападали с беспримерной храбростью. Никто не мог устоять против их яростного приступа. Генерал Накамура был тяжело ранен, подполковник Окуба убит и свыше тысячи солдат выбыло из строя».
«К Высокой горе отправилась рота матросов растянутым строем. Люди идут бодро, спокойно — на почти верную смерть. Звук взрыва заставил нас оглянуться на гавань. Там над броненосцем «Полтава» поднялся огромный клуб желтовато-бурого дыма. Вероятно, неприятельский 11-дюймовый снаряд попал в пороховой погреб судна. Пришёл П. и говорит, что японцы уже на самой вершине Высокой горы. Не верится. Не хотелось бы верить», — вспоминает те дни сотрудник газеты «Новый край» Ларенко.
Меньше месяца с конца последнего штурма продержалась крепость Порт-Артур. Комендант Стессель, вопреки решению Военного совета крепости, который выступал за продолжение обороны, сдал Порт-Артур. 5 января 1905 года измученный осадой гарнизон, сдав оружие, передал Порт-Артур японцам. Офицеры, пообещавшие не сражаться больше в этой войне, были отпущены домой.
«История осады Порт-Артура — это, от начала до конца, трагедия японского оружия. Ни в области стратегии, ни в области военного искусства не было проявлено со стороны японцев ничего выдающегося или особенно замечательного. Всё ограничивалось тем, что тысячи людей размещались как можно ближе к неприятельским позициям и бросались в непрерывные атаки», — напишет впоследствии английский корреспондент Эллис Бартлетт, находившийся всё это время в стане японских войск.
Генерал Ноги, чувствуя свою вину за смерть тысяч солдат, хотел совершить обряд сеппуку — ритуальное самоубийство через вспарывание живота. Однако император запретил ему делать это. Генерал вместе с женой осуществил своё намерение после смерти императора.