参谋长儿玉源太郎定案日军28个连队使用舟波性的攻击，每隔15分钟部队发起一次冲锋。
日军在1904年12月5日拂晓发起攻击。先由炮兵重炮（当时从日本东京及大坂190门海岸防卫用的大口径直径28cm的霰弹重炮中紧急运来18门支援旅顺第3军，一发炮弹有300kg重。）
轰击建立在山顶的俄军阵地，在轰击的掩护中第27连队集成第三中队冲锋占领203高地西南山顶，接着第28连队集成第一中队肉博冲锋占领了203高地东北山顶，傍晚再由集成第25连队攻占203高地中央山顶。根据日军战场记录显示，当日军攻下203高地的西南山顶、东北山顶以及中央山顶时，山顶俄军阵地里几无一人存活，俄军可以说是战至最后一兵一卒。
在经过一轮激动战斗后，日军终于在12月4日攻占203高地。12月5日傍晚，日军炮兵在203高地的山腰使用重炮炮轰旅顺市区内的俄军要塞，并歼灭港口中从退守旅顺港的俄国第一太平洋舰队残馀的舰只十馀艘。
之后第11师团攻占东鸡冠山的俄军永久堡垒，12月28日第9师团再占领二龙山的俄军永久堡垒，二龙山战役为旅顺攻围战的最后一场战斗。
第三军在随后继续追击旅顺地区附近的残余俄军，今年年1月1日突破了东北方面的防卫线占领了虎头山望台堡。在203高地被日军占领的时候，旅顺舰队的俄军水兵因为舰队早以失去战斗力，所以已经提前上岸投入到要塞保卫战。
203高地的消耗战耗尽了俄军的预备队，正面堡垒的陷落使得俄军士气低落不堪，俄军指挥部里主战派将领失去了支持，于是在当日下午4时半，决定向日军投降。
1905年1月2日下午1点，俄军参谋长雷伊斯与德西建史诺维其上校在原清朝北洋水师营的农舍，等候日军第3军参谋长伊地知幸介交涉受降条件。
1月5日乃木大将，及其参谋长伊地知，与旅顺俄军辽东地区总司令官施特塞尔中将，及其参谋长雷伊斯，在北洋水师营的农舍签定旅顺俄军投降书。1月14日在水师营的东边由乃木希典主持战没者招魂祭，并朗读祭
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