21日凌晨6时，天色微亮，第二旅团长西宽二郎率领所部逼近椅子山炮台的西北面，准备发动进攻。椅子山炮台高出地面50多丈，地势险要，可以俯视周围，因此也成为日军进攻的第一个目标。由于烟雾茫茫，日军难以辨别目标，因而进攻反而由海上的日本联合舰队首先发动。在旅顺附近的海面上，日本舰队一字排开，向炮台群轮番放炮，试图从海面上吸引清军的注意力，以帮助日本陆军进攻。
日本军舰开炮后，日军第二旅团也拉来40多门攻城炮、野炮和山炮，随后向椅子山炮台猛烈地发炮轰击，意图在气势上压倒清军。战斗打响后，椅子山炮台和周围的松树山、黄金山等炮台上的清军也毫不示弱，他们分别用岸防大炮还击日军，只听两军阵地上炮声隆隆，响彻云天，似有天崩地裂之感。
在炮火的掩护和指挥官的逼迫之下，大队日军逐渐逼近了椅子山炮台，并沿着崎岖的山路陆续蚁附而上。防守清军在日军的围攻下竭力抵抗，他们从各个角度向日军不断射击，但由于日军人数众多，清军的防线最终还是被突破了。
在日军即将攻上炮台的危急时刻，清军士兵在营官的鼓舞下，纷纷拔出大刀和日军展开了生死白刃战，炮台上顿时刀光剑影，兵刃相接，战斗极为惨烈。日军指挥官见炮台久攻不下，随后又调派预备队投入战斗。日军不断增援，坚守炮台的清军终于支持不住了。最后，清军只得放弃椅子山炮台并向周围炮台撤退。日军此战势在必得，攻势非常凶猛，最后旅顺后路西炮台群的椅子山、案子山及望台北诸炮台都先后被日军攻陷，清军残部战败后被迫撤向旅顺西海岸。
日军攻占椅子山炮垒群后，又迅速转攻二龙山炮台和松树山炮台。当时对二龙山炮台发动进攻的是日军混成第十二旅团，在人数上占有绝对优势。面对黑压压一大片日军，守台清军奋起反击，炮台阵地前的炮声如万雷齐鸣，山上山下，硝烟弥漫，战斗极为激烈。在战斗进行中，由于日军逐渐接近了炮台，大炮失去有效射程，防守炮台的清军只得用步枪扫射蜂拥而上的日军。所幸，周围的炮台见二龙山炮台形势危急，便从侧面不断发炮支援，将进攻的日军轰下去不少。
由于侧面松树山炮台的威胁很大，日军第十二旅团只得暂时停止进攻二龙山炮台，而改派一个分队向松树山前进，佯攻松树山炮台，以诱使其停止对二龙山方面的炮击。而在这时，日军第一师团也已赶到并开始了对松树山炮台的进攻，他们摆出数十门野炮向松树山猛烈发射，其炮兵联队也用攻城炮不断发炮，日军的攻势变得极为凶猛。更加不幸的是，松树山炮台的火药库没过多久便被日军的一枚炮弹击中，炮台内顿时爆炸连连并燃起熊熊大火，在此情况下，守台清军只好放弃松树山炮台而撤向二龙山。
松树山炮台沦陷后，日军合兵两路向二龙山炮台发起冲锋。防守二龙山炮台的是姜桂题指挥的桂字营，他们用新买进的克虏伯大炮和格林炮不断猛轰日军阵地，并以步枪俯射冲到炮台下的日本兵，给予敌人大量杀伤。但由于日军人多势众，在指挥官军刀的逼迫之下，他们仍旧不要命地向炮台不断攀登冲击。有一次，当日军攀至炮台前沿时，清军引爆了之前预埋的地雷，只听“轰”的一声，方圆几十米的日军都被炸上了西天。
日军的多次冲锋受阻后，简直杀红了眼，继续跨过累累尸体，逼近炮台。当时的场面非常惊人，日本兵狂呼乱叫，几乎布满山野，他们从四面向炮台不断攀登，蚁附而上。姜桂题见自己的士兵伤亡太重，炮台又是难以防御，只得率部撤下炮台，突围而出。这时，有一名勇敢的士兵志愿留下，他在大队日军攀上炮台的刹那间，在弹药库里引爆了地雷，只听天崩地裂的一声巨响，首先登上炮台的日军全部命丧黄泉。
部分日军进攻二龙山炮台的同时，日军第十四联队也向鸡冠山炮台发起了进攻。在激战中，联队第一大队的大队长花冈正贞少佐的臀部被击穿，因失血过多而毙命。在付出沉重的代价后，日军在当天晚间最终攻占了鸡冠山炮台及附近临时搭建的一些炮台。
陆路炮台相继失守后，各统领相继率残部突围而出，卫妆成和赵怀业向金州方向而去；徐邦道所部在与日军激战教场沟后冲出重围；程允和与姜桂题残部也都先后突围而出。可怜的道台龚照玙则乘渔船逃往烟台。日军占领旅顺后路炮台后，便转而向黄金山海岸炮台发动进攻。黄金山炮台备有大口径火炮，并且可以旋转360度，可以八面射击，可惜守军军心已乱，炮台很快便失陷了。
在战争之前，时人评价威海与旅顺时说，“铁打的旅顺，纸糊的刘公”（即刘公岛，指威海卫），但出乎人们意料的是，不到一个礼拜，旅顺便全部失陷。这一点，甚至连日本人也没有料到，事实上，日军的伤亡人数远远不及开始制定的敢死队人数。
究其原因，恐怕还是因为守卫清军训练不足，对现代炮台的使用远远不够熟练，未能发挥其真正的作用。在10年之后的日俄战争中，俄军就利用旅顺要塞（当时旅顺租借给了俄国人）给予了日军沉重的打击，令日本人付出了沉重的代价。当然，俄军在后来十年中通过添设炮台等措施加强了旅顺要塞，但其训练水平、战斗力等方面显然是远在清军之上的，何况当时的清军中有很大一部分是招募不久的新兵，这就令旅顺的守卫能力更是大打折扣。实事求是地说，清军士兵在战斗中不能说不勇敢，但这毕竟是一场现代战争，光靠勇敢是远远不够的。
日军攻占旅顺后，很快便暴露出了疯狂的兽性，旅顺随即陷入了一场空前的浩劫之中。日本兵冲入旅顺后，不分青红皂白，在街上见人就杀，见东西就抢，杀人放火，无恶不作，甚至连无辜的老人、妇女、儿童都不放过。后来，为了掩盖他们的罪行，日本兵甚至故意纵火，将杀人抢劫的现场毁尸灭迹，其暴行令人发指。
对于日军在旅顺的暴行，当时世界上有很多媒体进行了报道和严厉谴责，比如英国《泰晤士报》就根据其本国武官的叙述而刊载了这样的新闻：“日本攻取旅顺时，杀戮百姓达四日之久，这种非理性的杀伐，甚为惨伤。据记者所见，日本绑缚数群清兵，先开枪打死，然后还残忍地用刀肢解，日本士卒如此残暴的行径，而那些指挥官也熟视无睹。”
另一目击者英国人艾伦，当时随美国货轮“哥伦布”号赴华为正在同日本作战的清军运送军火。在旅顺大屠杀期间，他被困于旅顺口，他在日记中记载说：“在我周围都是狂奔的难民。我第一次亲眼看见日本兵追逐逃难的百姓，用枪杆和刺刀对付所有的人，对跌倒的人更是凶狠地乱刺。
日军击毙所有遇见的人，在街道上行走，脚下到处踩着死尸。天已经黑了，屠杀还在继续进行着，丝亳没有停息的迹象。枪声、呼喊声、尖厉的叫声和呻吟的声音，四处回荡。街道上呈现出一幅可怕的景象：地上浸透了血水，遍地躺卧着肢体残缺的尸体，有些小胡同简直被死尸堵住了，死者大都是城里人。”
艾伦又写道：“我站在一处高地，离我不远处有一个池塘，池塘边站着好多日本兵，拼命将一群难民往池塘里赶，不一会儿池塘里便塞满了人。只见难民在水里乱成一片，池塘边的日本兵，有的拿枪射击，有的用枪上的刺刀刺。池塘里断头的、斩腰的、穿胸的、破腹的，搅成一团，水变成通红一片。日本兵在一旁欢笑狂喊，快活得不得了。池塘里少数活人，在死尸上爬来爬去，满身血污。其中一个女人，抱着一个小孩子，浮出水面，朝日本兵发出凄婉的哀求。岸边的日本兵竟拿刺刀来捅，当胸捅了个对穿。第二下又捅那个孩子，只见刺刀一捅，小孩子被捅到刺刀上，他高高地挑起枪来，摇了几摇，当作玩耍的东西。那女人伏在地上，尚未被捅死，她用奄奄一息的力气，想要起来看看那个孩子，刚挣扎了一下，又趴下了。日本兵就照屠杀别人的方法，也将这个女人斩成几段。”
美国驻日本武官海军上尉欧伯连当时也正在旅顺，他在写给该国驻日公使谭恩的报告中说：“我曾亲眼看见一些人被屠杀的情形。有一些尸体，双手是绑在背后的。我也看见一些被大加屠割的尸体上有伤，从创伤可以知道他们是被刺刀杀死的，从尸体的所在地去看，可以确定地知道这些死的人未曾抵抗。我看到了这些事情，并不是我专为到各处看可怖的情况才发现的，而是我观察战事的途中所看到的。”
美国《纽约世界》的记者克里曼在旅顺大屠杀的第四天，将自己的目击记录发回国内：“我亲眼看见旅顺难民并没有抗拒日军。日本人所谓有人从窗口向日军射击之言，全是谎话。日本人并不想抓俘虏。我见到一个人跪于日本兵面前，磕头饶命。这个日本兵用刺刀将他的头钉在了地上，然后拿刀将他的头砍了下来。有一个老百姓吓得缩在墙角，一队日本兵发现了，一人一枪将其击碎。有一个老人跪于街中，日本兵将他斩成两段……”
在这次惨绝人寰的旅顺大屠杀中，日军共杀害国人20000多人。当时能够幸免于难的中国人，只有36人，这还是日军为驱使他们掩埋尸体而留下的，在这些人的帽子上，粘有“勿杀此人”的标记，才得以免死。
世界自有公道。在战争爆发之前，欧美各国都对日本学习西方文明而表示称赞，而对中国的保守落后颇有微辞。但在日军制造旅顺大屠杀后，美国的《世界》杂志就曾愤怒地谴责道：“日本是披着文明的外衣，实际是长着野蛮筋骨的怪兽！日本于今摘下了文明的假面具，暴露了野蛮的真面目。”
这无疑是当时世界舆论的公论。
