率领5000人在土城子设下埋伏，准备伏击来犯的日军。18日，日军骑兵50人、步兵200人进入埋伏后被清军击毙11人，伤37。清军虽获小胜，但是也暴露了伏兵，未能达成阻击日军大部的心愿。20日，徐邦道率领5000人到石嘴子迎击来犯的日军，双方进行激烈交火，清军因寡不敌众而撤退。徐邦道等人的计划失败，未能阻止日军进犯。也许他们不如龚照玙等人精明，看不清必败无疑、大厦将倾的形势，但他们是民族的脊梁，正是因为像他们一样的无数人的支撑，我们的民族才能生存在这个世界上。
21日凌晨，第二军团向旅顺口发起总攻。
旅顺口的陆路炮台群以椅子山炮台为重中之重，其上的大口径火炮射程远、威力大，而且该炮台高度最高，可以俯瞰其它炮台，日军占据它以后只要调转炮口就轰击其它炮台的清军。为进攻这个炮台，日军组织了1500人的敢死队，做好了付出惨重代价的思想准备。6时50分，第一师团集中40门火炮瞄准椅子山炮台猛轰。清军椅子山炮台、松树山炮台、黄金山炮台立刻还击，霎时间炮声震天，似山崩地裂一般，双方都拼命向对方倾泻炮弹。虽然清军的火炮先进，但是因为炮台群散落几十里，不能把所有炮火集中攻击一处，在数量上处于劣势，而且日军炮兵的射击技术更胜一筹，几乎弹无虚发，所以很快日军压制住了清军的炮火，敢死队一拥而上抢占了椅子山炮台。
见椅子山炮台陷落，案子山炮台、望山炮台、松树山炮台的清军立刻失去了抵抗的勇气，没等日军发起冲锋便向后溃逃。紧接着，日军第十二混成旅团向二龙山炮台发起攻击。由于缺少炮火支援，日军士兵只能冒着清军猛烈的炮火冲锋。日军连续两次冲锋均被击退，但是日军士兵像打了鸡血一样亢奋，随即发动第三次冲锋，他们跨过同伴的尸体冲到距离炮台300米的地带，这时清军引爆了炮台前的地雷，虽然密集的地雷爆炸足以造成地动山摇，但是却没有一名日军伤亡——清军士兵没掌握好引爆的时机。二龙山炮台遂被日军攻陷。随后，黄金山炮台、摸珠礁炮台、老砺嘴炮台的清军不战而逃，仅西岸炮台的清军在张光前的带领下做最后的抵抗。是日夜，张光前率领部队撤退，“铁打的旅顺”在一日之间全部陷落。
此战，日军伤亡426人，清军伤亡应远超过日军，具体数字不详。
日军占领旅顺后立刻暴露出残忍的本性，经第二军司令大山岩批准，第一师团长山地元治下达命令：“抓住非战斗员也要杀掉，除妇女老幼外全部剪除。”一场针对平民的疯狂大屠杀开始了，日军在旅顺街头“击毙所有遇见的人”，街道上到处都是平民的尸体，英国人艾伦写道：“枪声、呼喊声、尖厉的叫声和呻吟的声音到处回荡……地上浸满了血水……有些小胡同简直被死尸堵住了。”美国人克里曼写道：“海面上许多满载男女老少拥挤的小船缓缓向海中逃离，岸边的日军向小船射击，海上日军的水雷艇也向小船开炮，十几艘小船被击沉，落水的人发出声嘶力竭的呼叫。”直到12月26日，在野蛮屠杀了两万多名平民之后，日军停止了屠杀。因为，旅顺已经没有人可杀了。