Ослабленная русская эскадра в Порт-Артуре ограничивалась вначале лишь оборонительными действиями. Прибывший 24 февраля (8 марта) 1904 в Порт-Артур вице-адмирал Макаров начал готовить эскадру к активным действиям, но уже 31 марта (13 апреля) погиб на броненосце «Петропавловск», подорвавшемся на минах. Новое руководство флотом (Алексеев и Витгефт) отказалось от борьбы за господство на море и портартурская эскадра была ориентирована лишь на оборону Порт-Артура.
С 24 января (6 февраля) по 3 (16) марта 1904 в Корее высадилась 1-я японская армия генерала Т. Курски (около 34 тыс. штыков и сабель, 128 орудий), которая к середине апреля вышла к р. Ялу (Ялуцзян). К этому времени русские войска (свыше 123 тыс. штыков и сабель, 322 полевых орудия) располагались: во Владивостоке и Приамурье — свыше 24 тыс. штыков и сабель, 56 орудий; в Порт-Артуре и на Квантунском полуострове — свыше 28 тыс., 56 орудий; в Южной Маньчжурии — свыше 23 тыс., 88 орудий; в районе Ляоян — Мукден — свыше 28 тыс., 60 орудий и на р. Ялу — Восточный отряд генерала М. И. Засулича (свыше 19 тыс. штыков и сабель, 62 орудия, 8 пулемётов). 18 апреля (1 мая) в бою на р. Ялу 1-я японская армия нанесла поражение Восточному отряду и, продвинувшись до Фынхуанчэна, обеспечила с фланга высадку 22 апреля (5 мая) на Ляодунском полуострове у Бицзыво 2-й японской армии генерала Я. Оку (около 35 тыс. штыков и сабель, 216 орудий), которая перерезала железную дорогу на Порт-Артур и 13 (26) мая отбросила малочисленный русский отряд, прикрывавший дальние подступы к Порт-Артуру на перешейке в районе Цзиньчжоу. Оставив на Квантунском полуострове одну дивизию, японское командование начало наступление на С. вдоль железной дороги на Ляоян силами 2-й армии (2 дивизии) и дополнительно высаженных 2 дивизий (из них в июле была сформирована 4-я армия генерала М. Нодзу). С Ю.-В. на Ляоян через горные перевалы наступала 1-я японская армия (3 дивизии). Для захвата Порт-Артура была сформирована 3-я японская армия генерала М. Ноги (в июле 3 дивизии и 2 бригады, 45—50 тыс. штыков и сабель).
Под давлением царя и Алексеева Куропаткин направил на выручку Порт-Артура 1-й Сибирский корпус генерала Штакельберга, но вследствие бездарного руководства корпус 1—2 (14—15) июня потерпел поражение под Вафангоу. В июне — июле японские армии развивали концентрическое наступление на Ляоян. Русские войска, после ряда неудачных для них боев, в начале августа заняли оборонительные позиции на дальних подступах к Ляояну. В Ляоянском сражении 1904 11—21 августа (24 августа — 3 сентября) Куропаткин не сумел использовать благоприятную обстановку, сложившуюся в ходе боев и дававшую реальные шансы на победу, и отдал приказ об отступлении на С. К середине сентября русская Маньчжурская армия усилилась до 195 тыс. штыков, 19 тыс. сабель, 758 орудий и 12 пулемётов против 150 тыс. штыков и сабель, 648 орудий и 18 пулемётов в японских армиях. Это позволило русским войскам перейти в контрнаступление, которое привело к сражению на р. Шахэ, продолжавшемуся с 22 сентября (5 октября) до 4 (17) октября и окончившемуся безрезультатно. Обессиленные тяжёлыми потерями (русские — свыше 40 тыс., японцы — свыше 20 тыс. чел.), противники перешли к обороне. Образовался позиционный фронт протяжённостью до 60 км, что было новым явлением в военном искусстве.
Японское командование прилагало все усилия, чтобы быстрее овладеть Порт-Артуром и уничтожить русскую эскадру, но неоднократные штурмы были отражены героически оборонявшимся русским гарнизоном (см. Порт-Артура оборона). Портартурская эскадра, которой грозило уничтожение, дважды безуспешно пыталась прорваться во Владивосток [10 (23) июня и 28 июля (10 августа)], но после боя в Жёлтом море была вынуждена вернуться в Порт-Артур в ослабленном составе (часть кораблей ушла в нейтральные порты). 20 декабря 1904 (2 января 1905) начальник Квантунского укрепленного района генерал А. М. Стессель предательски сдал крепость, не исчерпав возможностей её обороны. Захват Порт-Артура позволил японскому командованию перебросить 3-ю армию на усиление главных сил, а флот получил время для подготовки к встрече со 2-й русской Тихоокеанской эскадрой, вышедшей 2 (15) октября 1904 из Либавы.
К январю 1905 три русские Маньчжурские армии (созданы в октябре 1904) занимали на р. Шахэ почти сплошной фронт протяжённостью в 100 км, а с фланговыми отрядами — до 150 км. Русское командование, стремясь нанести поражение противнику до прибытия его 3-й армии, предприняло в январе наступление силами 2-й русской армии в районе Сандепу, которое окончилось неудачей. 6 (19) февраля японские войска перешли в наступление с целью обойти фланги русских армий. Мукденское сражение 1905, продолжавшееся до 25 февраля (10 марта), окончилось крупным поражением русских войск, которые, понеся большие потери, отошли на Сыпингайские позиции (160 км севернее Мукдена), где оставались до заключения мира. Военные действия на суше фактически прекратились. К концу войны численность русских войск в Маньчжурии достигла свыше 800 тыс. чел. (боевой состав около 470 тыс. чел., 1672 орудия, 374 пулемёта), а японских войск — 380 тыс. чел. боевого состава. В июле 1905 японские войска заняли остров Сахалин.
С начала войны до августа 1904 активные действия на морских коммуникациях противника вёл владивостокский отряд крейсеров, уничтоживший 15 пароходов, в том числе 4 военных транспорта, и героически сражавшийся с превосходящими силами японцев 1 (14) августа в бою в Корейском проливе. Последним этапом Р.-я. в. явилось Цусимское сражение 1905. Русская 2-я и 3-я Тихоокеанские эскадры под командованием вице-адмирала З. П. Рожественского совершили 18 000-мильный переход (32,5 тыс. км) из Балтийского моря вокруг Африки и 14 (27) мая подошли к Цусимскому проливу, где вступили в бой с главными силами японского флота. В двухдневном морском сражении русская эскадра была полностью разгромлена, что означало «... не только военное поражение, а полный военный крах самодержавия» (Ленин В. И., Полное собрание соч., 5 изд., т. 10, с. 252).
Несмотря на победу, Япония была истощена войной, в ней росли антивоенные настроения, Россия была охвачена революцией, и царское правительство стремилось поскорее заключить мир. 18 (31) мая 1905 военное правительство обратилось к президенту США Т. Рузвельту с просьбой о посредничестве в мирных переговорах, которые начались 27 июля (9 августа) в американском городе Портсмуте. 23 августа (5 сентября) был подписан Портсмутский мирный договор 1905, по которому Россия признала Корею сферой японского влияния, передала Японии арендные права России на Квантунскую область с Порт-Артуром и южную ветку Китайской Восточной железной дороги, а также южную часть Сахалина.
Коренными причинами поражения России в Р.-я. в. были реакционность и гнилость царизма, неспособность высшего военного командования, непопулярность войны среди народа, низкое боевое качество пополнений, укомплектованных запасниками, в том числе старших возрастов, не имевшими достаточной боевой подготовки, слабая подготовленность значительной части офицерского состава, недостаточное материально-техническое обеспечение, плохое знание театра военных действий и т.д. Япония одержала победу в войне, пользуясь широкой поддержкой со стороны Великобритании и США. С апреля 1904 по май 1905 она получила от них 4 займа на сумму 410 млн. долларов, которыми покрыла 40% военных расходов. Важнейшим итогом Р.-я. в. было утверждение японского империализма в Корее и Южной Маньчжурии. Уже 17 ноября 1905 Япония навязала Корее соглашение о протекторате, а в 1910 включила её в состав Японской империи. Усиление японского империализма на Дальнем Востоке изменило отношение США к Японии, которая стала для них более опасным конкурентом, чем Россия.