当联合军仍在向旅顺口进军中，伊东提督认为运输船已无需特别警卫保护，遂以全力航抵旅顺口。为了观察隐避于炮台下的清国舰队，耗费了两天时间。了解敌舰没有逃脱的危险，遂分出一部分军舰负责监视，率其余军舰返回大连湾，沿着海岸向西航行。十一月二十日帮助陆军运动，第二天二十一日协助陆军对旅顺口的最后攻击。即在前—天便以松岛、严岛、桥立、千代田为第一舰队，扶桑、比睿、高雄、八重山为第二舰队；吉野、浪速、秋津洲、高千穗为第三舰队编成单行纵阵，和陆军前进的同时，一起航行，而以小舰和鱼雷艇沿海岸不断炮击敌军。同时为了防备深匿港内的敌舰逃出，也作好战备加以监视。

第二天上午六时，松岛、严岛、桥立、千代田、扶桑、比睿、吉野、浪速、秋津洲以及高千穗，通过港口直指大连湾驶去。当日十时三十分，伴随数艘鱼雷艇再度出现。千代田和另外一艘，离开队列到达半岛背后的鸠湾，从远距离以最大仰角，向旅顺口炮台射击。然后缓缓与舰队会合，时值下午四时，舰队位于距炮台约六海里处。清军不顾距离如此遥远，竟向日本舰队、特别对千代田打炮十二三发，但无一命中。日舰也未于应战。清国陆军此时已被大山将军击败，争向港内逃跑。俄而大雨骤降，乘此时机，日本十艘鱼雷艇在二艘巡洋舰的掩护下，沿海前进，艇分二队，突然闯入港内，没遭特别损伤。然后用一磅炮和机关炮向炮台、艇内以及陆上的清军任意炮击。此次炮击对决定该港的命运，实有重大关系。炮击三十分后即全被日军占领。当时在港外的日本军舰，虽然没有参加此次炮击，但全力转移了从清军炮台向鱼雷艇发射敌弹的目标（此次战役中，一百七十尺的装甲鱼雷艇小鹰号战绩卓著）此役中鱼雷艇的行动号令严肃，运动敏捷，使目击者的外国军官赞叹不已。据传在港内敷设有两排水雷，用以加强防御，但一个也没有发挥作用。由此看来，这些水雷是否有效，大有可疑。

日本已经占有了像旅顺口这样清国领土中优良的海军根据地。一八八O年以前，该港只不过是一个天然良港，次年才决定建造干船坞和码头。后来又弃置不顾。一八八七年又让一法国人承包再建，到一八九O年终于竣工。其主要工程有：疏浚港口，建造退潮时也能保证水深二十五尺的大船坞，建筑备有蒸气起重机和铁路的坚固的码头以及长四一O尺，宽七尺，落潮时仍能保证水深二十六尺三寸的船渠等。此外配备有鱼雷艇用的小船渠，以及铸造厂、制造厂和新式造船厂的各种器械等。另外，还于四周高地构筑炮台，除安装八吋臼炮六门以及许多野炮、小速射炮外，还备有九吋八炮三门，八吋二炮十五门、五吋九炮三十门、四吋七炮二门，严加防御。—英国军官于该港陷落后，实地观看后说，如果防守得当，决不会如此轻易被攻陷。

各次海战失败后，连骁勇的丁提督，其地位也相当危险难保。当时如果没有我等雇佣的外国军官威胁恭亲王，清国政府如若处罚提督则我等联袂辞职的话，恐怕提督将被处以斩首之刑。由于副提督林当镇远于威海卫坐礁后自杀，遂命令曾担当过“加金·马才松”商会所有船和曾担当过高升号等船船长的马格禄接其任。

关于以后发生的事件，除简单的电报外，没有详细的通信，因此报道难免互有抵触矛盾。