В сентябре-ноябре защитники Порт-Артура отразили три японских штурма. Но 13–22 ноября (26 ноября – 5 декабря) 3-я японская армия овладела господствующей над Порт-Артуром горой Высокой. 2 (15) декабря погиб Р.И.Кондратенко, душа обороны города. 15 (28) декабря японцы взяли форт Эрлунгшан и стали хозяевами всего северо-восточного фронта крепости. 20 декабря (2 января 1905) начальник Квантунского укрепленного района генерал-лейтенант А.М.Стессель, не исчерпав всех возможностей для сопротивления, сдал Порт-Артур (весной 1908 военный суд приговорил его к смертной казни, замененной десятилетним тюремным заключением).

Падение Порт-Артура резко ухудшило стратегическое положение русских; командование попыталось переломить ситуацию и взять инициативу в свои руки. Однако успешно начатое 12 (25) января 1905 наступление 2-й Маньчжурской армии на деревню Сандепу не было поддержано другими армиями, и 16 (29) января оно было прекращено. После присоединения к основным силам японцев 3-й армии Ноги их численность сравнялась с численностью русских войск. 5 (18) февраля они предприняли наступление на левом фланге русских. 11 (24) февраля армия Куроки атаковала 1-ю Маньчжурскую армию юго-восточнее Мукдена, а 13 (26) февраля армия Ноги начала обход русского правого фланга. Контратаки А.В.Каульбарса 20–21 февраля (5–6 марта) не имели успеха. 24 февраля (9 марта) Куроки прорвал фронт армии Н.П.Линевича. Потеряв более 90 тыс. убитыми и пленными, русские войска в беспорядке отступили на север к Телину. Крупнейшее поражение под Мукденом означало проигрыш русским командованием кампании в Маньчжурии, хотя ему и удалось сохранить значительную часть армии. 2 (15) марта А.Н.Куропаткин был заменен Н.П.Линевичем, который укрепился у Сыпингая.