Mục tiêu đầu tiên và quan trọng nhất mà Nhật nhắm tới là cảng Lữ Thuận. Với lực lượng vượt trội ở Viễn Đông (sinh lực gấp 3 lần, pháo binh 8 lần, tàu chiến 1,8 lần, súng máy 18 lần), ngày 9/2/1904, quân Nhật do Đô đốc Hayhachiro Togo chỉ huy bất ngờ tiến công Hạm đội Thái Bình Dương của Nga ở cảng Lữ Thuận và ngoài khơi cảng Nhân Xuyên.
Mặc dù đã có sự chuẩn bị trước, song do chủ quan khinh địch nên chỉ trong vài giờ, phía Nga đã bị mất hai tàu khu trục lớn nhất Tsesarevich và Retvizan và tàu tuần dương 6.600 tấn Pallada. Số còn lại chống trả một cách yếu ớt rồi bỏ chạy. Duy có chiếc tàu khu trục Sevastopol chạy thoát được vào vịnh Benlui Volk. Tại đây, trong 6 ngày liên tiếp bị các tàu hải quân Nhật tiến công, nhưng nó đã chiến đấu hết mình, đánh chìm 2 tàu khu trục, làm bị thương nặng 9 tàu chiến khác của Nhật.
Quân Nhật bắt đầu hình thành thế bao vây phong tỏa, chặn mọi đường tiếp tế của quân Nga vào Lữ Thuận và Liêu Đông. Cuộc chiến giành giật Lữ Thuận kéo dài trong 11 tháng.
Giai đoạn đầu, dưới sự chỉ huy linh hoạt, táo bạo của Đô đốc Stefan Makarov, quân Nga ra sức củng cố khu vực cảng, đào thêm hàng trăm km hầm hào, đưa pháo lên các cao điểm, tìm nhiều biện pháp chống phong tỏa, ngăn chặn thành công nhiều đợt đột kích đổ bộ của quân Nhật, gây cho quân Nhật nhiều thiệt hại.
Tuy nhiên, do bị phong tỏa kéo dài, lương thực, thực phẩm, vũ khí đạn dược của quân Nga cạn dần. Thêm vào đó, bệnh dịch lây lan khiến sức chiến đấu của quân Nga giảm đi đáng kể, nhất là sau khi Đô đốc Makarov hi sinh ngày 13/4.
Biết tình hình đó, giữa tháng 8/1904, Bộ Chỉ huy Nhật yêu cầu quân Nga đầu hàng. Phía Nga từ chối, Nhật huy động 130.000 quân, 500 khẩu pháo, quyết tâm chiếm bằng được Lữ Thuận.
Lần đầu tiên trong lịch sử chiến tranh, quân Nhật sử dụng loại đạn phá lớn bắn cấp tập vào các trọng điểm bố phòng của quân Nga. Các cuộc đột kích của Nhật đã vấp phải sự phản kháng quyết liệt từ phía quân Nga (có 50.000 quân, 545 pháo) và bị thiệt hại nặng nề.
Tuy nhiên, bằng cách bao vây, chia cắt, kết hợp tiến công, ngày 5/12 quân Nhật chiếm được cao điểm 203 quan trọng nhất khu vực cảng, từ đó bắn phá các tàu tiếp tế và làm tê liệt toàn bộ các trận địa pháo của Nga. Ngày 1/1/1905, hàng loạt vị trí then chốt trên tuyến phòng thủ Lữ Thuận rơi vào tay quân Nhật.
Hạm đội Thái Bình Dương cũng chỉ còn 7 tàu, thuyền loại nhỏ. Trong tình hình đó, thay vì phải xốc lại đội hình và quyết tâm chiến đấu thì Đô đốc Phox chỉ huy quân Nga lại quyết định ngừng chiến mà không xin ý kiến cấp trên.
Ngày 2/1, Tham mưu trưởng quân Nga tại Lữ Thuận ký văn bản đầu hàng vô điều kiện. Quân Nhật làm chủ hoàn toàn Lữ Thuận.
Mặc dù từ cuối tháng 9/1904, Chính phủ Nga đã biết được tình hình nguy ngập của Lữ Thuận, song mãi đến giữa tháng 10/1904 mới quyết định phái Hạm đội Baltik đến hỗ trợ. Vượt hành trình lên tới 29.000km vòng châu Phi, qua mũi Hảo Vọng, qua Ấn Độ Dương, Thái Bình Dương, ngày 27/5/1905, hạm đội gồm 38 tàu chiến các loại mới đến eo Đối Mã (giữa Triều Tiên và Nhật Bản).
Họ đi vào ban đêm để không bị phát hiện. Thật không may, một tàu cứu thương Nga để lộ một ngọn đèn và bị tàu Nhật trông thấy. Hạm đội Nga gần như bị tiêu diệt, chỉ có 3 tàu chạy thoát được đến Vladivostok. Hải quân Nhật thừa thắng chiếm toàn bộ quần đảo Sakhalin để ép Nga phải yêu cầu đình chiến.
Ngày 23/8/1905, Hiệp ước Portsmouth được ký kết tại New Hamshire, Mỹ. Nga buộc phải thừa nhận Triều Tiên thuộc phạm vi ảnh hưởng của Nhật, để cho Nhật chiếm bán đảo Liêu Đông, cảng Lữ Thuận, nam đảo Sakhalin và nhánh nam đường sắt Trung Quốc.
Phía Nga thất bại chủ yếu do những người cầm quân đánh giá thấp đối phương và thiếu tinh thần chiến đấu. Thất bại này đã làm sâu sắc thêm mâu thuẫn nội bộ nước Nga, tạo ngòi nổ cho cuộc cách mạng 1905-1907. Còn đối với Nhật Bản, từ đây các cường quốc phương Tây buộc phải thừa nhận đất nước Mặt trời mọc là một sức mạnh tầm cỡ thế giới.