24 февраля (8 марта) 1904 г. в Порт-Артур прибыл новый командующий Тихоокеанской эскадры вице-адмирал С. О. Макаров. Выходец из простой матросской семьи, Макаров достиг высших военно-морских отличий благодаря своим выдающимся способностям. Бесстрашный флотоводец с твердой волей и неукротимой энергией, ученый-новатор и патриот Макаров стал одной из примечательных фигур русской истории начала XX в. Главным правилом военного искусства он считал умение всегда сохранять инициативу и придерживаться наступательного образа действий, что изменило ситуацию в Порт-Артуре. Боеспособность и решимость эскадры возрастали с каждым днем. Стремясь запереть русский флот в порт-артурской бухте, японцы перешли к разбрасыванию мин на подступах к ней. 31 марта Макаров вывел эскадру в море и вступил в бой с противником, чтобы заманить его под огонь береговых батарей. Маневр первоначально удался, но, приближаясь к Порт-Артуру, японцы внезапно развернули свои корабли обратно. Русская эскадра уже шла к месту стоянки, когда у входа в бухту «Петропавловск» наскочил на японскую мину. На флагмане вместе с Макаровым погиб его штаб. Из 727 человек экипажа спаслись только 80. Во главе эскадры был поставлен не подготовленный к этой роли контр-адмирал В. К. Витгефт, перешедший к пассивной обороне. Узнав о гибели Макарова, японская Ставка отдала приказ о высадке войск на Ляодунском полуострове.
Попытка деблокады Порт-Артура в начале июня с суши потерпела поражение. Тогда по настоянию Алексеева было решено перебазировать эскадру во Владивосток. Не веривший в успех прорыва, но подчиняясь приказу, Витгефт 10 июня вывел русские корабли в море. Встретившись с эскадрой Того, он боя не принял. Потопив 3 японских миноносца, русские корабли вернулись в порт-артурскую бухту. В июле, когда противник вышел к внешнему обводу крепости, к перебазированию флота вернулись вновь. Витгефт и часть командиров оставались противниками прорыва, считая, что он ускорит падение крепости. 28 июля эскадра из 6 броненосцев, 4 крейсеров, 8 эсминцев вышла в море. В начавшемся бою успех был на стороне русских кораблей. Однако взрывом на флагмане был убит Витгефт и выведен из строя его штаб. Потеряв руководство, русская эскадра рассеялась. 5 броненосцев, крейсер и 3 эсминца вернулись в Порт-Артур. Корабли, направившиеся из-за повреждений и недостатка топлива в нейтральные порты, были в них разоружены.
Первый штурм Порт-Артура был возложен на армию генерала Ноги, насчитывавшую до 50 тыс. солдат и около 400 орудий. К началу войны в крепости была частично готова береговая оборона, а сухопутной фактически не существовало. Генерал-лейтенант А. М. Стессель, комендант крепости и с марта 1904 г. начальник Квантунского укрепрайона, мало соответствовал своей должности как человек поверхностный и склонный к паникерству. Всю работу по укреплению Порт-Артура проводил начальник сухопутной обороны генерал Р. И. Кондратенко. Ему активно содействовали начальник артиллерии крепости генерал В. Ф. Белый, инженеры С. А. Рашевский, А. В. Шварц и др. Благодаря их энергичным усилиям по ускоренному строительству фортов, возведению батарей и редутов был создан сильный оборонительный пояс. К началу осады русский гарнизон насчитывал свыше 42 тыс. человек. 6 августа японцы атаковали почти по всему периметру обороны и заняли отдельные участки. Осадные японские батареи 2 дня неустанно обстреливали русские укрепления. В ночь на 8 августа натиск был отбит. Тогда Ноги резко увеличил войска прорыва, после чего японцы проникли в крепость в районе Китайской стенки. Мощный огонь русской артиллерии и атаки пехоты с флангов позволили выбить врага. Потеряв до 20 тыс. человек, Ноги перешел к методической осаде. Эта победа была достигнута благодаря умелым действиям Кондратенко и героизму защитников крепости. Отбитый штурм улучшил положение русской армии в Маньчжурии, заставляя противника распылять сухопутные силы. 6 сентября японцы вновь попытались взять крепость с боя, но, понеся большие потери, прекратили второй штурм. Не удался Ноги и третий штурм Порт-Артура 14 октября, хотя японский обстрел из 11-дюймовых гаубиц привел к большим разрушениям в системе фортов и батарей.
