Всего против оборонявшихся русских Ноги бросил в бой семидесятитысячную армию с 400 орудиями. На направлении главного удара японцы превосходили защитников крепости по личному составу в шесть раз.
Артиллерийская подготовка продолжалась весь день 13 октября и несколько поутихла только к 8 часам вечера. Оглохшие от взрывов, насквозь пропитанные пороховым дымом защитники рубежей вылезали из полуразрушенных блиндажей, откапывали двери капониров и спешно готовили орудия к атакам пехоты. За день, который из-за сплошной пелены дыма и пыли, окутавшей позиции, скорее, напоминал ночь, на фортах и укреплениях разорвались десятки тысяч снарядов. Еще никогда с начала обороны крепость не несла таких потерь от артиллерийского огня. В ротах, занимавших траншеи перед фортами и укреплениями, в живых осталось по десять процентов личного состава. Рота Квантунского экипажа из 180 человек потеряла 110. Многочисленными были и разрушения на укреплениях. Сильно пострадала артиллерия.
Едва отгремели последние разрывы, как японцы поднялись в атаку по всему северо-восточному фронту. В районе форта № 3 и укрепления № 3 завязался рукопашный бой. Потери, понесенные от артиллерийского огня, не замедлили сказаться, и японцы утвердились на гласисе форта № 3 и в окопах впереди укрепления № 3.
Прибывший к месту сражения Кондратенко приказал контратаковать. Он, правда, слабо верил в успех контратаки — слишком велика была разница в силах, — но надеялся немного задержать японцев и не дать им развить успех. Расчет оправдался. Неудачи двух предыдущих штурмов, стоившие наступавшим очень дорого, научили их осторожности. Имея большое преимущество в людях и артиллерии, они все же не рискнули пойти дальше. Выигрыш во времени позволил Кондратенко провести перегруппировку. Последующие два дня японцы, непрерывно бомбардируя позиции, подтягивали резервы. Но и Кондратенко, умело маневрируя резервами, успевал усилить наиболее опасные участки.
Между тем осадная артиллерия, не жалея снарядов, продолжала бомбардировать форты № 2 и № 3, укрепление № 3, батарею литера Б и Курганную. Особое беспокойство у Романа Исидоровича вызывал форт № 2, на который непрерывно падали 11-дюймовые снаряды. Брустверы на форту были разрушены, бетонные казематы во многих местах пробиты, в живых оставалось не больше половины личного состава гарнизона. Не лучше обстояло дело и на других участках. На батарее литера Б исправным осталось одно орудие, на Курганной подбита 120-миллиметровая пушка… Артиллеристы крепости пострадали так сильно, что не могли не только вести контрбатарейную борьбу, но и противодействовать японским саперам, работавшим на подступах к укреплениям. Последние успели многое: двумя взрывами обвалили потолок и стенку капонира форта № 2, подорвали правый капонир № 3. Кондратенко бросил все силы на восстановление разрушений, ожидая с часа на час начала атаки.
17 октября, после трехсуточной непрерывной бомбардировки, генерал Ноги отдал приказ о начале последней, решительной атаки. В 11 часов 30 минут японцы открыли шрапнельный огонь, а уже в 11.50 повели наступление на Куропаткинский люнет и батарею литера Б. Еще через час первые японские пехотинцы спустили штурмовые лестницы во рвы фортов № 2 и № 3.
На батарее литера Б через пять минут после начала атаки замелькал японский флаг, но сейчас же был сбит, а к часу дня защитники батареи окончательно выбили ворвавшегося туда врага. Штыковые контратаки повергали в ужас наступающих японцев. Оборонявшихся было впятеро, вдесятеро меньше, но сражались они каждый за десятерых.
То же самое произошло и на Куропаткинском люнете. Его обороняли две роты с шестью мелкокалиберными пушками и двумя пулеметами. Еще утром от артиллерийского огня погибло более половины солдат и офицеров, вышли из строя три орудия и пулеметы. И все-таки, когда батальон японцев в колоннах поротно поднялся на штурм, до бруствера сумела добраться только половина, а рукопашный бой на люнете затянулся до двух часов дня… Дело решила резервная рота. Без единого крика появились стрелки на бруствере и молча бросились в штыки. За какие-то двадцать минут большая часть атакующих была переколота, а остальные в ужасе побежали назад, бросая раненых, оружие и снаряжение.