日本第一军进入中国作战后，因考虑到中国幅员辽阔，担心先期投入的作战兵力过于单薄，难以很快让中国投降。于是日本政府着手组织第二军，目标攻打中国首都北京，迫使清王朝签订城下之盟。由陆军大臣大山岩大将出任司令官。
日军占领金州后，乘势向大连湾方向发起进攻。大连湾守军仅有总兵赵怀业所部6营2哨，3000余人，屯驻于各炮台、要地，兵力分散。11月7日，日军大队行至中途迷路，抓来乡间塾师阎世开命其带路，阎世手书“宁作中华断头鬼，勿为倭奴屈膝人”铭志，慷慨就义。是日上午，日军抵达大连湾炮台群，总兵赵怀业先期已率部逃往旅顺，除老龙头炮台的爱国官兵自发进行抵抗外，其余炮台均被守军放弃，洋务运动苦心经营多年的国防长城一朝兵不血刃的落入敌手。
从1894年10月24日至11月1日，日本第二军2万5千余人先后在辽东半岛的花园口登陆，以抄袭旅顺要塞后路。而中国方面，北洋海军主力舰只基本都未修竣，而辽东半岛的陆军部署又过于分散单薄，以至于在日军登陆的半个月时间内，中国“海陆军无过问者”。
旅顺，西方称为亚瑟港、东方的直布罗陀。因为港口工程浩大、防守坚固，是当时远东首屈一指的大型军港。11月5日，日本第二军第一师团逼近旅顺门户金州，与中国军队展开激战。日军攻占金州、大连湾的目的即在于夺取旅顺。由于中国徐邦道部拱卫军驻守通往金州的要道金州大道，作战非常顽强，日军随改由从防御较为薄弱的复州大道进攻。11月6日，日军发起总攻，中国军队虽进行了顽强抵抗，但终于众寡不敌，外围防线皆被突破，至6日中午，金州城沦陷。日本第二军在大连湾炮台进行了为期10天的修整后，立即向旅顺发起攻势。
防守旅顺的中国军队共计1万余人，但是派系混杂，指挥不一，面对汹汹而来的日本侵略军，各部将领手足无措。11月13日，尚未修竣的北洋舰队各舰起锚离港，旅顺陷入一片恐慌中。
结果
1894年11月21日上午6时50分，日本联合舰队列阵旅顺口外，吸引中国守军注意力。同时，日本陆军开始对旅顺陆路炮台发起进攻，由于敌我兵力相差过于悬殊，且中国军队之间缺乏统一指挥，虽然广大清军爱国将士用血肉之躯抗击着日本侵略军的进攻，但至中午12时左右，日军完全占领了旅顺陆路炮台。随即转向海岸炮台进攻，东岸炮台守将黄仕林贪生怕死，弃台而走，致使东岸防守崩溃，炮台均落入日军手中。西岸炮台在守将张光前指挥下坚持作战至夜幕降临，日军被迫暂时停战，是晚，张光前率部撤离旅顺。旅顺沦陷，李鸿章经营近20年，耗资达数千万两白银的战略重镇落入敌手，渤海门户洞开，直接威胁到津京要害。
旅顺口的大规模作战结束后，很多清军爱国士兵自发在船厂、机器局、旅顺城内各处与日本军队展开可歌可泣的巷战。由于旅顺的中国守军防御顽强，日军损伤惨重，自11月21日至24日的4天内，日军对旅顺全城进行了惨无人道的大屠杀，中国同胞近2万人遇难。
