1904年2月5日，日本断绝了与俄国的外交关系，同一天，日本明治天皇下达诏书，宣布对俄国在东北和朝鲜的军队进行彻底打击。2月8日，日本联合舰队在旅顺口重创俄国舰队，拉开了日俄战争的序幕。9日，日舰又在朝鲜仁川击伤2艘俄国军舰，俄舰被迫自沉。

为了完全获得制海权，从2月9日到3月7日，日本舰队不断向旅顺口内的俄舰进行炮击，试图将俄舰封堵在旅顺口，但均未成功。为了摆脱舰队的被动处境，俄国任命马卡洛夫为太平洋分舰队司令。马卡洛夫上任后，立即采取了一系列的紧急措施。为了防止日军从后侧登陆，对旅顺基地造成威胁，马卡洛夫在辽东半岛沿海地区密布地雷，同时，他还命令舰队在日本海袭击日军海上交通线，分散日本舰队对旅顺的压力。

3月22日，马卡洛夫率领舰队出海巡航，在4月13日返航途中，马卡洛夫所乘的“彼得罗巴浦洛夫”号战列舰触雷爆炸，包括马卡洛夫在内的650名舰上官兵全部葬身鱼腹。马卡洛夫死后，新任司令威特赫夫特一改前任的积极进攻态势，转入消极防御。在对抗中，两国海军互有胜负。在无法达到尽快歼灭俄国舰队与旅顺口的目的后，日本转而向陆地寻找消灭俄军主力的机会。

4月中旬，在没有遭遇到任何抵抗的情况下，日军轻松地来到鸭绿江左岸，向对岸俄军的东满支队发起了进攻，此后接连占领九连城、凤凰城，兵锋直指辽阳。5月初，由奥保巩大将指挥的日本第二军在辽东半岛东南貔子窝成功登陆，于月底进抵金州，并很快攻占大连。与此同时，日本第三军和第四军也相继在各自登陆点登陆，扫清障碍，向旅顺进逼。6月20日，日军成立了以大山岩为总司令的“满洲军总司令部”，统一指挥对旅顺的战役。担任进攻主力的是由乃木希典任军长的第三军。

旅顺是俄国在远东最重要的战略港口，如果丢掉了这座城市，俄国不仅将失去它在远东的军事基地，而且“有损于在近东、中亚和欧洲的政治军事威望”。为了守住旅顺，俄军调集重兵进行防守，使得日军每前进一步都必须付出巨大的代价，可谓“亡命之战”。鉴于旅顺之战迟迟没有根本性进展，大山岩撤销了乃木希典的指挥权，由总参谋长儿玉源太郎代为指挥。儿玉源太郎是有名的炮兵专家，在他的部属下，日军很快攻克了俄军防守最为严密的203高地。随后，日军在203高地架设火炮，以大口径榴弹炮袭击俄国舰队。俄国舰队损失惨重，基本上丧失了作战能力。

1905年1月1日，俄军投降，1月2日，俄方正式签订投降文书。在整个旅顺战役中，俄军损失4.4万余人，日军损失约6万人。

在结束旅顺战役后，日军迅速向奉天进发，准备与俄军在东北的主力进行会战，将其一举歼灭。到达奉天的日军约为27万人，1082门炮，200挺机枪。而集中于奉天的俄军约为33万人，1266门炮，56挺机枪。2月23日，日军向奉天俄军发起进攻。双方在阵地间你争我夺，最后以俄军主力逃脱日军包围而告结束。虽然俄军主力得以幸免，但是在奉天会战中，俄军也损失了近12万人，日军斩获不断，人员损失在7万左右。

奉天会战后，俄国从欧洲海域抽调太平洋第2分舰队开往亚洲，驰援东北的俄军。太平洋第2分舰队是一支零时拼凑的舰队，其战舰多数从波罗的海舰队抽调而来，拥有各型战舰38艘，辅助舰船20艘。俄海军的动向全在日军的掌握之内，为了出其不意消灭这支舰队，日本舰队在俄舰可能经过的海域布设鱼雷。5月27日，太平洋第2舰队进入对马海峡，遭到了早已等候在此的日本海军的突然袭击。除了3艘军舰冲出日舰包围，向海参崴方向逃跑外，其余军舰皆遭到毁灭性打击，人员阵亡4830人，而日本舰队只损失了3艘鱼雷艇，阵亡117人。

太平洋第2舰队的惨败，使俄国彻底失去了与日本在远东抗衡的力量，而日本为了与俄国对抗，消耗了巨大的人力物力，如果战争继续持续下去，对日本有弊无利，于是也想早日结束此次战争。于是，在美国的调停下，经过一番激烈的讨价还价，1905年9月5日，日俄在美国朴茨茅斯签订了合约。俄国承认日本在朝鲜享有政治、军事及经济上的特权，并将向清政府“租借”的辽东半岛及有关权利转让给日本；除此之外，俄国还将库页岛南部及其附近一切岛屿割让给日本。

虽然日俄战争以俄国战败而告结束，但是在这场战争中，真正受到伤害的是无辜的中国人民。日俄战争的主战场在中国东北，腐败无能的清政府任其在自己的“龙兴之地”相互争斗，烧杀抢掠，并让当地官府从重管束百姓，不许反抗，以至于“纵横千里，几同赤地”、“烽燧所至，村舍为墟，小民转徙流离哭号于路者，以数十万计”。而日本在日俄战争中除获得巨大利益外，还侵占了中国东北南部的广大领土。