进攻旅顺口的日军看到了清军防线布局上的失误和清军各顾自己的情况后，长古川沾沾自喜，于是命令各大队组织日军增援于大山的日军，集中优势兵力将驻防清军采取各个击破的方法各个击破。
清军约4000人分两队向水师营东北高地和被日军占领的于大山方面进发，准备攻击于大山。到达于大山附近的盘龙山位置时进入战斗态势。向于大山日军阵地发起炮击。在炮兵掩护下清军向碾盘沟南方高地迂回包围，双方互相猛烈对射，清军炮兵的轰击威力明显压制了日军火力。
此时日军野战炮兵第一联队赶到，日军士气顿时高涨。双方炮兵展开阵地炮击战，日军炮兵弹着准确，清军炮兵火力很快被压制下去。增援于大山、金家屯附近的日军支队向碾盘沟西侧迂回，企图从侧背包围清军。清兵发现日军欲断后路，防守阵势开始动摇，接着放弃阵地仓皇逃跑。
防卫东鸡冠山的徐邦道带领的拱卫军也遭到日军相同的围攻，徐邦道的拱卫军坚强抗击，日军调集野战炮兵火力拱卫军堡垒群阵地炮击，一时间双方枪炮战激烈。
武库附近冲出清军二百余骑兵和二百步兵企图增援毅字军，途中受到日军猛烈阻击将队伍冲散，溃兵向旅顺市街方向逃去。日军攻势凶猛，很快瓦解了清军的防御阵地，日本援军不断涌来，随后大坡山、小坡山、蟠桃山等炮台也先后沦陷。
清军中又出现了贪生怕死的败类。驻守白玉山的卫汝成预备队，因卫汝成自己率亲兵逃跑，丢下所部无人指挥，士兵们也放弃了阵地，纷纷向海边炮台撤退，日军不费力气地得到了白玉山炮台。
白玉山炮台工事都建在陡峭的山峰上，居高临下，侵犯的敌人在这种地形下进攻非常不容易，要攀爬山坡仰攻山上的守军非常困难，防护工事里的炮手能够轻易地将进攻的人击毙。如此坚固的炮台没开一炮，就被他们轻易丢掉了。
被日军击溃的清军，和各路溃败下来的清军撤退到旅顺城。
驻守旅顺的清军指挥官姜桂题、徐邦道等把战争进展情况电告给李鸿章。
此时正值清朝慈禧太后举办六十寿诞，朝廷上下作为头等大事，太后说：“今日令吾不快者，吾令其终生不快”意思就是“谁让我的生日过不好，我就让他活不好！”
日本军队从花园口登陆后，在慈禧太后庆典这一天攻占金州，然后在大连湾集结准备进攻旅顺口，李鸿章接到前线雪片一样飞来的电报，自己不能做主，却心急如焚。想讨一个说法，如此重大的事情，李鸿章把战事情况报告给督办军务处，督办军务处不敢做主，而李鸿章和属督办军务处都不敢报告给皇上和太后。
李鸿章他兵权在握，万一日军真的打到旅顺，进而闯到直隶来危及北京，那自己便罪责难逃了。于是他以请求的口气对恭亲王说：“王爷，若等几天后再奏，恐怕就晚了。日军正在日夜进犯，时不我待呀!”
恭亲王同李鸿章和众大臣，趁太后看戏看得心情”高兴的时候，突然上前，一起给太后皇上跪下施礼。恭亲王李鸿章等长跪不起，一齐磕头、请安。