除了老龙头炮台对日军的进攻进行了抵抗，给日军造成了一定的损失，其他几座炮台竟然一炮未发，都被日本鬼子占领了。
日本鬼子占领大连湾后，下一个目标就是旅顺口。尽管日军在攻占大连湾时没有想象的那样困难，但他们知道攻占旅顺没那么容易了。
旅顺口位于辽东半岛南端，旅顺口与威海卫隔海相望，共扼渤海门户。背靠群山，峰峦蜿蜒起伏，主要山峰黄金山、老虎口上都设有炮台，东西两面筑有许多炮台：东面有松树山、二龙山、鸡冠山等炮台，西面有椅子山、案子山、望台北等依山凭险筑炮台17座，有加农炮、榴弹炮、野炮、山炮等各种大炮78门。港阔水深，港内建有船坞、电报局，是清廷经营十多年的北洋水师（民国以前海军称为水师）基地。
为战领旅顺口，日军在大连湾准备了十天。
日军第一师团在休整的同时，派出一支95人的侦查小队，从不同位置潜入旅顺，侦查清军布防情况，搜寻通往旅顺的各条道路。这95人分成3组。第一组30人，由山本横二率领；第二组20人，由川熊一郎中队长率领，负责侦查黄海北岸的小平岛；第三组45人，由川崎横路中队长率领，侦查三涧堡及清军水师营至松树山以西的清军布防。日军骑兵曾经跑到旅顺附近的莺哥石、营城子、炮台下边的水师营侦查，虽然遇到了迷路，被老百姓伏击，被打死了一个鬼子，还是完成了细致的造成任务，制作了攻击路线图，为进攻旅顺做了准备。
日军经充分准备后，决定分三路向旅顺口进攻。由秋山好古少佐率骑兵一个大队和一个中队为骑兵搜索队打先锋；由益满德次中佐率步兵十四联队及骑兵、炮兵、工兵各一个中队为左翼纵队，从大连湾出发经辛寨子、苏家屯，马兰沟，到黄泥川、龙头集结。进攻旅顺东北清军二龙山、东鸡冠山防线；由山地元治中将亲率第一师团本队及第十二混成旅团为右翼纵队，从金州经南关岭、牧城驿等地进攻旅顺西北椅子山、大小案子山一线。混成第十二旅团牵制旅顺口以北及东北方之敌；第一师团进攻水师营东南方敌主力；联合舰队围堵海面运动之清兵。
当时驻守旅顺的清军有亲兵三营、庆字军五营、马队一哨、桂字军五营、和字军四营，共11000多人。金州之役后，由大连湾败退到旅顺的有拱卫军、怀字军约3600多人，捷胜营数百人，旅顺守军合计约15000多人。
日军进攻鸭绿江防线时，旅顺守军被调往鸭绿江防线，接防的多为新募之兵，各部之间互不统属。黄海之战后，北洋海军主力已退避威海卫，旅顺水路防御力量均较薄弱。
在日军气势汹汹杀向旅顺口时，以姜桂题为主帅的清军，兵分三路迎敌。程允和率和字军中路迎敌，在土城子以南许家窑一带高地布防；徐邦道率拱卫军迎敌东路，在曹家村、周家一带布防；姜桂题率桂字军迎敌西路，在韩家村一带布防。
土城子，一座小村庄，村庄得名于残存的一段明城墙遗址，位于旅顺北部，距旅顺口约10公里，土城子是金州通往旅顺的必经之地，金旅大道两旁，丘陵起伏，便于埋伏，是个阻击日军的好地方。战略地势优异，被视为旅顺后路外围最后一道防线。
徐邦道率拱卫军开往土城子进行伏击，埋伏在土城子南侧。日本骑兵少佐秋山好古率领骑兵侦查时，根本不把清军放在眼里，曾经进入炮台下面的水师营。与清军步兵和骑兵遭遇。徐邦道指挥部下英勇出击，双方发生激战，清军不支被迫后退，日军直追到水师营以北高地，清军据守水师营射击，不久清军逃走。于是，日骑兵大队和步兵进入水师营。
清军在山头上架炮，猛烈炮击日军，炮击非常猛烈，如同雷雨一般对日军构成合围，日军且战且退。清军斗志昂扬向日军冲锋，打死打伤许多日寇，秋山好古率部狼狈逃离。撤到水师营以北时，清军停止追击。
徐邦道说服姜桂题、程允和等人率各部共计3000余人，再往土城子主动出击。
清晨，日军少将西宽二郎率领步兵第三联队、一个骑兵中队、一个炮兵中队、一个工兵大队作为前卫部队，经营城子、双台沟向旅顺进发。
秋山好古率右翼纵队搜索骑兵作为先锋，从三十里堡首先出发。秋山好古参与数次日本对外侵略战争，毕业于陆军士官学校，到法国留学，日本最高军衔的陆军大将，好战，好杀戮，是日本对外侵略的重要将领，唯一的骑兵名将，
到达三涧堡后，日军部队抵达土城子一带。立即将骑兵第二中队派往土城子警戒，秋山发现清军200余人已占领土城子南方高地。命令搜索队向三涧堡东侧散开，准备战斗。被埋伏在土城子南面高地上的程允和部队发现。秋山命令向清军射击，双方开始激战。
大清是马上得天下，这只骑兵队是满八旗的镶蓝旗下，虽然久未征战也还有些战力，而日本人的骑兵指挥则是一个叫龟田一郎骑兵中队长，据说他们的骑兵教练是一些法国人，从单兵素养和战术布置的训练都是比照法国骑兵队，且有些个年头了。起初两边的骑兵对战是日本人略占上风。日军根据过去的经验，清军看到日军就会立即逃跑。但是，这里的清军不仅一步也不后退，而且奋勇前进。
这时，程允和不断向前沿阵地增兵，指挥清军向日军猛扑过去，随着清军兵力的增加，日军骑兵陷入劣势，秋山好古发现清军兵力还在不断增加。估计清军已经有五六百人。日军准备抢先占有利地形。程允和部队已到达土城子以西地带，与姜桂题部形成钩状，把日军包围起来。
清军吹着军号，擎着赤黄色的旗帜，向日军发起进攻。清军人数甚多，西山步兵约700、骑兵200，前面步兵约1000多，左边步兵约500、炮5门，骑兵50，各高举旗帜冲向日军。
双方交战不久，清军就将浅川敏靖左臂击伤，并将其从马上击落在地。浅川敏靖所率领的第二中队也随之被击溃，日军伤亡者众多，饭尾金弥被击毙，木村松源等被击伤。
秋山少古率领的骑兵在人数上处于劣势，根本就无力抵挡清军的进攻，清军居高临下向日军猛烈射击。然后逐步将日军分隔包围各个击破，秋山好古无力抵挡，见势不妙不得不命令日军部队向北突围，去请求救兵支援。清军紧追不舍，如潮水般涌向日军，呐喊声如万雷齐鸣，子弹如雨点般纷飞，硝烟弥漫。战斗十分激烈，
然而，秋山好古的先锋队刚撤退到土城子东面的周家屯时，忽然遇一支雷霆纵队的侦查队突击队迎头打过来，突击队员的密集扫射，使先锋队又陷入困境。秋山好古派快马向旅团部求援。
日军第三联军丸井正亚少佐接到求援报告，立即派遣步兵第三中队前往土城子增援。
雷霆纵队第三支队的先锋部队侦查连得知清军在土城子一带与日军作战，因为还没有与清军取得联系，于是前往侦查，看到一队日本鬼子在行军，带队的连长命令立即投入战斗，向鬼子的队伍射击。
增援的日军步兵第三中队突然遭到进攻，顿时楞住了，日军中队长命令分散抢占有利地形，与雷霆纵队侦查连作战。日本鬼子的步枪哪里能与雷霆纵队的自动步枪和机枪相比，被密集的子弹压制的不敢抬头。战士们投出手雷，接连不断的鬼子群里爆炸，造成了伤亡。日本鬼子互相掩护着撤退，不但没有能完成增援的任务，还扔下几具尸体。
一个中队的骑兵鬼子赶来救援，与秋山好古的部队里应外合，秋山好古的先锋队拼命突围，扔下多具尸体后才冲出包围圈，在前来支援的日军步兵的掩护下仓皇撤退。
川崎三郎、亘治助被清军击毙，大森多吉被击毙，中队长浅川敏靖就被清军从马上击伤在地剖腹自杀，中岛安太郎、阿久津舍吉、铃木善二郎、田边口等被击伤。清军的旗手举着蓝色旗子，其势难敌。四面都是清军，枪弹像倾盆大雨一般。
这时原在东路周家村附近布防的拱卫军，已经在徐邦道指挥下从东北沟方向逼向日军步兵第三中队左侧包围，日军见势不妙，便向许家窑方向突围。不料第三中队刚行至长岭子，从周家村方向赶来的徐邦道部50名骑兵已截住日军退路，将其马队割成数段，重重包围。日军又急派第二、第四两个步兵中队增援。
雷霆纵队第三支队在前往土城子的途中，与日军增援的部队第四中队遭遇，双方在长岭子展开激战。炮兵在长岭子南2公里东南高地上架起大炮，向日军猛轰，步兵和装甲部队向日军两侧侧发起进攻，声势浩大。
日军支撑不住，四处逃窜，左突右冲，向来路双台沟方向狼狈溃逃。雷霆纵队乘胜猛追，日军无力再战，甚至来不及收拾尸体，就向营城子方向败走。直到下午日军部队的炮兵赶到进行火力支援。
此时恰逢坂井中尉向其他部队提供补给时路过，看到友军被围不利，立即发出攻击敌炮兵阵地的命令，抑制住雷霆纵队的攻击，秋山部队趁机逃出重围。死亡计有步兵第一大队第三中队小队长中万德次以下官兵12人，负伤步兵中尉三谷仲之助、骑兵大尉浅川敏靖以下32人，死伤共计44人，另有两人死伤不明。
徐邦道率清军骑兵乘胜追击，日军溃退到双台沟以北，侦察兵报告长岭子方向有日军活动迹象，清军命令停止追击逃跑之敌，
徐邦道的拱卫军在土城子阻击战中有进无退，气势如虹，使日军苦苦支撑，不仅使数名指挥官殒命，而且险些成“袋中之鼠”，这是日军自与清军交战以来未曾遇到过的狼狈状。
山地元治率领左翼的第二旅团，秋山好古少佐率领的先锋骑兵大队的日军边撤退，边往后看，如惊弓之鸟，正在仓惶逃离的时候，又听到马队喊杀的声音。