21日凌晨2时，日军各部队在篝火间整顿装备，做好进攻的准备，然后悄悄地向指定阵地前进。凌晨6时左右，日军分三路向旅顺后路炮台发起了进攻，战斗先后在椅子山、案子山、二龙山、鸡冠山展开。8时左右，椅子山炮台失守；15分钟后，相邻的案子山炮台也失守；11时左右，松树山炮台失守；11时30分，二龙山炮台失陷。11时45分，鸡冠山炮台失守。是清军作战不勇敢么，不是，清军甚至跟攻上炮台的日军肉搏。那么原因何在？一是战斗力分散，日军攻击的优势明显；二是清军战斗力远远弱于日军战斗力，新兵和老兵那就是差一截，清军炮弹发射的技能比不上日军，日军娴熟的技能使得清军炮台受重创率非常高；单兵格斗的技能也比不上日军；日军在军官的督战下，“足踏鲜血，跨过尸体，终于逼近了炮台”。三是日军海陆配合得利，清军属孤军奋战；四是清军的炮弹实心弹太多，虽然都是12、15、24厘米的巨弹，但霰弹很少，杀伤力远弱于日军。

而白玉山炮台则是被弃守被占的。英国人詹姆斯。艾伦站在白玉山上观看了发生在眼前的战斗。他对清军这么轻易的失去阵地大惑不解：“这些工事均设在陡峭的山上，处于居高临下的地位，来犯的军队在该处无法保持规则的队形，当他们奋力攀登这些险要的山坡时，将被能干的炮手们成千上万地撂倒。我怀着这种迷惑不解的心情，看到了如此坚固的防御工事竟这样丢失了。”“前面的那条小溪中有许多满载难民的舰只和小筏子，而大多数难民是胆小如鼠的军队，他们在逃跑时扔掉了武器和军服。他们的无能和胆怯，使我对中国军队的未来具有很深的印象。”是呀，原因何在？当椅子山炮台失守时，清军统领卫妆成和赵怀业“即向东行”，跑了。龚照玙先奔小平岛，又乘渔船去了烟台，那段路他熟。将都跑了，你说兵能不跑么？前头的几个炮台，人家将没跑，兵就没跑。国家会选人么，赐予那么多人权力俸禄名位，一味纵容他们吃香的喝辣的，结果危急时刻，被人家中的大多数给卖了！该！活该！自己做的孽怪谁呀！

中午开始，宋庆派遣铭军分统龚元友率3营为左翼，沿金复大道，跨过十三里台子南岗，毅军分统马玉昆率4营为右翼，沿西海岸进西石门子，同时反攻金州城。清军由于是远道轻装而来，没带重炮，而日军坐城防守，枪炮皆备，其从城头上发射的炮弹，对清军威胁很大。下午3时，清军暂时撤退。

从中午时分起，进攻日军开始向旅顺市区和海岸炮台推进，东海岸黄金山炮台成为日军行动最大的威胁和障碍。黄金山炮台位于市区东南，居高临下，俯瞰全城，展望自由。主炮台配备火炮九门，其中二十四公分远距离新式克虏伯重炮三门，副炮台配备火炮8门，这些火炮都可作360度回转，可以向任何方向射击。而且防守炮台清军有1600余人。然而，负责防守的总兵黄仕林在11月19日就把值钱的东西装好船准备逃走，见后路炮台失守，他慌慌张张从老蛎嘴炮台易服也逃跑了，不跟你国家玩了，不给你国家干了。日军便轻易占领了黄金山炮台。东岸之摸珠礁、老砺嘴等炮台守兵见主将已遁，亦皆不战而奔。但在此时，西岸炮台还在守将张光前的指挥下坚守不退，日军为攻占西岸炮台，以联合舰队从海上配合轰击。馒头山等炮台“频炮击之”，“舰队不敢应”。直到夜幕降临，西岸炮台还在清军手中。日军只得暂时停战，是夜，张光前率队循西海岸向北撤退。日军攻战一天，而且天色已晚，于是停止了进攻。西路清军及各路溃军在徐邦道、姜桂题等人率领下，也纷纷杀出一条血路沿西海岸向金州退走，与宋庆军会合。

入夜，宋庆闻知旅顺已陷敌手，又得知来自旅顺的日军增援部队已经出发，遂放弃反攻金州的打算，率兵向盖州退去。

日军攻占“东方君士坦丁堡”——铁打的旅顺，共计死40人，伤241人，失踪7人，死伤失踪合计288人；而清军伤亡据说约2500人，被俘355人。 日本人的收获当然比大连更加丰厚。“旅顺半岛之二十余座炮台、兵营、船坞，以及各种兵器、器械，全部归我军所有。若问其价值，相当于六亿数万元。”旅顺港内“铁木料物，及能拆机器，收存铁道，被掳掠一空；埋藏雷件器械，亦皆挖出运往该国。倭兵各持地钻，凡松土之地，无不挖深五六尺。东沣、道海、遇顺、赶海各船，皆拖往该国。”