恭亲王建议道：“要论外交，无人可胜李鸿章，奴才觉得可以派个什么人去听听他的想法。”
“行，可是不能再派翁同龢那样的人，去了也是白去。”慈禧一口答应。
“既然是往和的方向去想法子，当然要派懂洋务外交的人去，总理衙门的张荫桓出使过美国，有外交才能，可派他去走一趟。只不过是奴才告诉他悄悄去，还是……”如今主战声音压倒一切，恭亲王的意思是如果公然派张荫桓去天津，很容易泄露意图，招致不必要的麻烦。
慈禧有自己的主意：“不必偷偷摸摸的，我下一道懿旨，就让他去责问李鸿章，旅顺如何守，下一步作何打算。”
以兴师问罪的名义行求和问路之实，是明目张胆，但又堵上清流的嘴。恭亲王一想如此也好，如果悄悄去，消息泄露，反而显得做贼心虚。
第二天，懿旨发布。当天下午张荫桓就南下天津，而日军则开始由大连南下攻取旅顺。
旅顺军港自1881年开始修建，到1890年9月完工，前后历十个年头，东西两岸建有海岸炮台，后路要地也建有炮台，战争爆发后又在海岸新增四座炮台；在陆路修建松树山、二龙山、东鸡冠山、椅子山、案子山、望台六座半永久性炮台、四座临时性炮台以防守后路，一百四十余门火炮（重炮七十六门、轻炮四十九门、机关炮二十四门）将旅顺港内、港口及港外海面覆盖了起来，时人称之为“铁打的旅顺”。
但是，守卫旅顺的却是“流水的兵”。此时，驻守旅顺的清军共有三十三营一万四千人，其中有九千人是新募的士兵。新募士兵战斗力实在有限，很容易一溃而散。另外的五千人算老兵，但也没有经历多少战阵。更为严重的是，这一万四千人隶属于七位统领。平壤大战时清廷还明颁谕旨，任叶志超为前敌总统，而旅顺诸军连名义上的总统也没有明确。一支没有统一指挥的军队，其战斗力是要大打折扣的。十月十三日（11月10日），北洋舰队接到军务处电报，奉命撤出旅顺前往威海，旅顺守军更加人心浮动。
旅顺船坞工程总办龚照玙兼任北洋沿海水陆营务处会办之职，负有联络各军的责任，向有“隐帅”之称。如果“龚隐帅”是个有责任心、能够临机独断的将才，亦可以担当起总统的职责，但他没有这份德才。
龚大人也是李鸿章的安徽老乡，1871年投效北洋制造局当差。他一路升上来，既不靠科考、政绩，也不是靠战功，靠的是银子。他由监生捐纳府经历，加捐同知，保知府，1885年再捐道员，1890年保二品顶戴，直接捐了直隶的官职，被李鸿章派为旅顺船坞工程总办，并会办北洋沿海水陆营务处。
龚照玙的官是靠银子捐来的，花银子是为了挣更多的银子，大敌当前，如果连老命搭上，在他看来实在不划算。所以金州失守后，他就以请援为名，乘雷艇逃到了烟台。山东巡抚李秉衡打算扣留他治罪，当时任山东登莱青兵备道、监督东海关的刘含芳就是从旅顺调任的，与龚照玙是老相识，他就将李巡抚的意图透露给了龚照玙。龚照玙一听，吓得逃到了天津。
大敌当前，“隐帅”先逃，李鸿章勃然大怒，劈头盖脸骂他一顿，命令他立即星夜回旅顺，“离旅顺一步即汝死所”。龚照玙无奈，只好再回旅顺。在他逃离期间，手下官吏、亲兵无人节制，动手抢劫公私财物。船坞工程局大小官员，则各挟库储贵重物料争雇民船载逃内渡。最恶劣的是旱雷营队长张启林为了窃走电箱，竟把控制水雷、旱雷的电线割断，使旅顺口布下的水雷、旱雷全部失去作用。龚照玙回到旅顺的第二天，日军就兵分三路向旅顺后路炮台发起了进攻。
战斗先后在椅子山、案子山、二龙山、鸡冠山展开。
椅子山、案子山是旅顺后路的重要高地，清军在这里建有多处炮台。日军从凌晨开始行动，先后将十二门山炮、二十四门野炮、四门攻城炮布置在了椅子山北部、西部的高地上。七时开始向清军阵地炮击，守军程允和指挥炮台还击。东侧的松树山炮台、东南方的黄金山炮台也用远距离大炮向日军进行轰击。日军步兵在炮火掩护下向椅子山发动进攻，受到清军各种火力的猛烈射击。日军停止冲锋，重新部署，集中所有炮火向椅子山清军炮台轰击，步兵从椅子山两侧迂回前进。7时30分，日军距炮台只有百米，清军冲出堡垒，与日军展开肉搏，8时左右，椅子山炮台失守，15分钟后，相邻的案子山炮台也失守。不到一个半小时，旅顺后路西部防线崩溃。
日军随后向松树山炮台发动进攻，而另两路日军则分别向紧挨松树山的二龙山炮台和鸡冠山炮台发起了攻击。11时左右，松树山炮台弹药库被日军击中，连续爆炸，烈火熊熊，清军支持不住，炮台失守。这路日军便前去支援进攻二龙山炮台。二龙山炮台由安徽亳州人姜桂题指挥，他是旅顺守军中难得的尽职敢战的淮军统领，率领部属依托险要地形凭垒俯射，日军死伤颇多，但仍然踏尸猛进。双方战至11点30分，姜桂题见日军势大，清军已无力抵抗，于是在火药库里点燃地雷后率队撤退，二龙山炮台失陷。
所有的日军都向徐邦道指挥的东鸡冠山炮台集中，徐邦道率拱卫军顽强抵抗，诸炮台连发速射炮，纷纷簇簇，如骤雨不绝，指挥作战的日军十四联队第一大队长花冈正贞少佐也在冲锋中中弹。然而，随着日军火炮、步兵全部集中过来，拱卫军腹背受敌，11时45分，东鸡冠山失守，随后，大坡山、小坡山等相继失守。
此时，清军还有支预备队驻守白玉山，但统领卫汝成（他的亲哥就是以退缩逃跑“留名”的盛军将领卫汝贵）见后路炮台失守，惊慌失措，去找前敌营务处会办龚照玙商议。
龚照玙扮成商人模样正准备逃走，卫汝成拉着他道：“旅顺看来不保，大人应当立即到天津或山东报告详情，我愿保护大人起程。”话说得好听，其实就是要一快逃走。
龚照玙便顺水推舟道：“我也正有此意。”两人会同几个心腹僚属，心急火燎地由小平岛乘舟顶浪出海。因为船小浪大，四天才到达烟台，卫汝成装成船户模样上岸潜逃。龚照玙不敢登岸，让人到刘含芳处乞羊裘御寒，后逃至大沽。
因为卫汝成逃走，白玉山的清军不战而溃，不到12点，旅顺后路全部失陷。英国人詹姆斯·艾伦站在白玉山上观看了发生在眼前的战斗。他对清军这么轻易地失去阵地大惑不解：“这些工事均设在陡峭的山上，处于居高临下的地位，来犯的军队在该处无法保持规则的队形，当他们奋力攀登这些险要的山坡时，将被能干的炮手们成千上万地撂倒。我怀着这种迷惑不解的心情，看到了如此坚固的防御工事竟这样丢失了。前面的那条小溪中有许多满载难民的舰只和小筏子，而大多数难民是胆小如鼠的官兵，他们在逃跑时扔掉了武器和军服。他们的无能和胆怯，使我对中国军队的未来具有很深的印象。”
日军开始向旅顺市区和海岸炮台推进，东海岸黄金山炮台成为日军行动最大的威胁和障碍。黄金山炮台位于市区东南，居高临下，俯瞰全城。主炮台配备火炮九门，副炮台配备火炮八门，这些火炮都可作三百六十度回转，可以向任何方向射击。而且防守炮台的清军有一千六百余人。然而，负责防守的总兵黄仕林也没有死守旅顺的打算，早就把值钱的东西装好船准备逃走，见后路炮台失守，他慌慌张张从老砺嘴炮台易服逃跑。守台兵勇人心惶惶，开始不断逃亡。部分将士留了下来，居高临下向日军射击，坚持到傍晚五时后也放弃炮台。见黄金山炮台失守，东海岸诸炮台将士全部逃跑。
日军攻战一天，极其疲劳，而且天色已晚，于是停止了进攻。这天夜里，天气奇寒，彤云密布，风雨大作，四顾漆黑，咫尺莫辨。西路清军及各路溃军在徐邦道、姜桂题等人率领下，乘黑夜沿西海岸向金州退走，前去与围攻金州的宋庆军会合。
次日一早，日军准备向海岸炮台发起进攻，遥望清军阵地已寂无人影，便兵不血刃地占领了海岸各炮台。据日军统计，攻占铁打的旅顺共计死40人，伤241人，失踪7人，死伤失踪合计288人；而清军伤亡约2500人，被俘355人。随后，日军对旅顺进行了4天3夜的抢劫、强奸和屠杀，全城两万余人被杀，只留36人帮助抬尸而得幸免。
张荫桓已到天津一天多了，但李鸿章一直忙，两人未得深谈。因此晚饭的时候，李鸿章特意关照与张大人共进，为的是边吃边说话。刚坐下，李经方送来一封急电，李鸿章看罢脸色大变，连连拍着桌子叹息：“旅顺休矣！旅顺休矣！”
张荫桓拿过电报，是刘含芳发来的：
本日申刻，挪威国商船于昨日自旅顺老铁山救来溃勇三名，馒头山亲军左营前哨勇丁寇知贤、徐德騑，蛮子营庆副营中哨勇丁刘保。据称，二十一、二、三日水师营北面每日开仗。二十四日天明，倭大队进攻各炮台，战至午后四点钟，送饭不及，官勇败散。又据金龙轮船探称，日舰已经进入口内，陆路炮台皆见日军旗帜。
张荫桓惊讶地说道：“中堂，昨天不是还接龚观察电报，说连日皆捷吗，怎么旅顺又丢了呢？”
李鸿章心里恨恨地想，这又与叶志超虚报战功如出一辙。但在深受光绪帝信任的张荫桓面前，他不能这样说，便道：“昨天的电报，报的是前天的战事。一天之间，军情大变，也早在预料之中。”
“中堂早就知道旅顺守不住吗？”张荫桓奇怪地问道。
李鸿章解释道：“是啊，只因后路太弱。樵野，旅顺位居辽东半岛南端，海口有鱼雷，山上有海岸炮，倭寇要从正面进攻，非付出大代价。但旅顺后路却极为空虚。大连、金州是旅顺的后路，我早就建议要在这两处驻扎重兵。可是，他们都认为我是过虑了，朝廷又没有钱，因此这两处地方都没有加强，尤其金州城只有连顺副都统的七百余人。结果，这次倭寇还真就是从金州登陆。”
听了这话，张荫桓又问道：“日军从花园口登陆，先后十几天，丁提督的军舰怎么没去轰沉他们的运兵船？”
这是北洋舰队最受诟病的失误。当时李鸿章也曾命令丁汝昌去金州一带巡航，可是丁汝昌却回了威海。等李鸿章数次严令他回到旅顺后，又窝在旅顺不出港，说是定镇两舰受伤太重，还没完全修好，定远巨炮旋转不能如常，镇远起碇机不能使用，其他各舰也都难以正常巡海，如果与日舰相遇，实在没有胜算。因此，李鸿章借用他的话对张荫桓说道：“黄海一战，北洋诸舰受伤严重，当时汉纳根就说，非有三四十天不能修好，定、镇两舰都不能正常参战，要他们去与倭寇海军对决，无异于寻死。”
张荫桓点头表示理解。
“旅顺难以坚守，还有一个重要原因就是新兵太多。当初为了严防鸭绿江，宋祝三带着驻守旅顺的精锐北上，旅顺只好再招募新兵。旅顺守军一万五千人，近万人是新募。新兵既没有训练，又没有胆量，而且旅顺火炮皆是新式，非熟手不能操纵，战斗力便打了大折扣。”李鸿章说着这些话，心里有些遗憾。
李经方这时插话道：“我朝这个临时募兵制最不好。为了省钱，平时不养兵，到了战时才临时抱佛脚，让握锄头的农夫去扛枪。新勇总要训练几个月才略有效果，可中日战事事起仓促，如今是今天募起来，明天就拉上战场，如何能取胜？不但不能取胜，有时候一听枪响就溃逃，反而把整个队伍都拖累了。”
张荫桓是出过洋的人，对外国的征兵制很熟悉，以新兵对精兵，的确容易溃败。大清不是没有常备军，八旗和绿营就有六七十万，可早已经腐败不堪，徒费粮饷罢了。朝廷却不能下决心裁汰，省出钱来训练新式军队，结果是花钱养了大批废物。