Отступление русских к Мукдену означало для защитников Порт-Артура крах надежд на какую-либо действенную помощь со стороны сухопутных войск. 17 (30) июля 3-я японская армия захватила Волчьи горы и начала интенсивный обстрел города и внутреннего рейда. Тем не менее несколько предпринятых ею 1–12 (14–25) августа штурмов были отбиты гарнизоном под началом генерал-майора Р.И.Кондратенко; осаждавшие потеряли 16 тыс. убитыми. В то же время на море успех сопутствовал японцам. Попытка прорыва Тихоокеанского флота во Владивосток 28 июля (9 августа) провалилась; контр-адмирал В.К.Витгефт погиб. 1 (14) августа эскадре вице-адмирала Камимуры удалось настигнуть и разгромить крейсерский отряд контр-адмирала Иессена.

К началу октября, благодаря подкреплениям, численность Маньчжурской армии достигла 210 тыс., а японских войск под Ляояном – 170 тыс. Опасаясь, что в случае падения Порт-Артура силы японцев значительно возрастут за счет высвободившейся 3-й армии, А.Н.Куропаткин предпринял 22 сентября (5 октября) наступление на юг, но потерпел поражение в сражении на р.Шахэ 26 сентября – 6 октября (9–19 октября), потеряв 46 тыс. убитыми (противник – лишь 16 тыс.), и перешел к обороне. Началось четырехмесячное «Шахэйское сидение». В это время Маньчжурская армия была реорганизована в три армии: 1-ю (Н.П.Линевич), 2-ю (О.-Ф.К.Гриппенберг) и 3-ю (А.В.Каульбарс) под общим командованием А.М.Куропаткина.