12月11日，在确认港口里的军舰均已被击沉以后，日军中止了巨炮对旅顺港的炮击，转向对旅顺市区进行打击。由此旅顺口白天人迹无，都躲进了地下室和死角处。而这时在旅顺城里，部队和住民的生活越来越艰难，医院内满是坏血病患者，药品匮乏、食品不足、物价飞涨。守备司令官斯特塞尔下令收集储备战略储备，就连华东政府的几家商铺也都被俄军征集，做为临时医院，物资也大部份被调用。英国货船“亚瑟王”号12日停靠白狼湾，从孟买运来了5万袋小麦粉，斯特塞尔指示收做战略储备，不许发放，令市民和官兵很不满。
这时旅顺防区司令斯特塞尔中将招集军官，提出203高地丢失，太平洋舰队被部歼灭，旅顺口作为要塞的重要性已经丧失；为了伤员和疲惫官兵着想，应考虑结束这种局面，该商议投降问题了。”
要塞司令斯米尔诺夫少将则认为203高地不过是一个前哨据点，主抵抗线依旧健在，而太平洋舰队虽被部歼灭，但旅顺防御的本质不应改变，而且旅顺至少牵制了日本10万左右的军队，对支持北线作战的意义极大，另外炮弹量足够应付两次大会战，子弹尚有一千万发，粮食尚有一个月的储备，因此还未到绝望的境地，即使要投降，也得等到来年一月以后再议。
12月15日，参谍长康德拉琴科少将在视察东鸡冠山炮台时中炮身亡，这不仅是俄国陆军阵亡的第一位高级军官，而且他是旅顺防御计划和防线的主要设计者，也是要塞司令斯米尔诺夫少将的得力助手，因此康德拉琴科少将的阵亡，对俄军的士气是一个很沉重的打击，并预示着旅顺的陷落变成了一个时间问题。
12月18日，经过艰苦的土工作业，日军埋在东鸡冠山堡垒下边的2300公斤被引爆，摧毁了这个几乎无法攻克的堡垒，日军趁势攻占了东鸡冠山。旅顺东北的门户大开。
12月28日日军又攻占了旅顺正北的二龙山堡垒，继续扩大了旅顺防线的缺口。
而这时俄军终于抗不住了，经过了3天的协商之后，1月1日，1905年新年的第一天，旅顺防区司令斯特塞尔中将和要塞司令斯米尔诺夫少将派人向日军递交了请降书，旅顺守备部队剩余的32500人，都成了日军的俘虏。
旅顺战役的时间长达近1年，日军先后共计投入了136000人次，而伤亡高达62000人，阵亡人数超过30000人，而俄军阵亡23000人。可以说日军为了攻克旅顺，是付出了相当严重的代价。但攻下旅顺之后，日军的收获也是巨大的，不仅在战略上进一步巩固了日军的优势，在战术上也终于解除了日军的后顾之忧，可以让日军集中力来应对北线的战斗，而不用再两线作战；而且攻克旅顺之后，围困旅顺的6万余日军也终于被解脱出来，可以北上增援，这支兵力的增加，对于在辽阳、沙河两战中，一直饱受兵力不足之苦的日军来说，是十分极时和重要的。现在日本也可以集中兵力来应对下一阶段的战斗了。
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