旅順監獄被攻克之後，就只剩下白玉山和旅順火車站陣地。
由於旅順火車站是日軍的指揮部所在，並且和白玉山互爲依託，因此也是旅順城區守衛最爲嚴密的陣地，日軍共計在這裡佈置了5個聯隊，約2000餘人，還有10餘門各種火炮。
其實人民軍也知道白玉山陣地的重要，因此在戰鬥一開始的時候，人民軍就對白玉山進行過猛烈的炮擊，不過乃木希典也不是無能之輩，既然已經認清了雙方的優劣，自然也早已想好了應對方案，他在白玉山頂只留下一箇中隊守衛，而將大部份軍隊都留在火車站陣地，等人民軍的炮擊結束，向白玉山發動進攻時，再將大兵力投入到白玉山上防守。
而火車站陣地是以白玉山爲屏障，因此遭到的炮擊到並不嚴重，當然這也和人民軍對火車站的炮擊有所剋制有關。因爲旅順火車站是中東鐵路哈大線的終點，並且直接連通旅順港口，海運的貨物幾乎是下船之後就可以直接上火車，是旅順城區的一個關建樞紐，而人民軍不希望對火車站造成重大的損毀，否則在奪取旅順之後，將要花費相當的人力物力及時間來修復，因此將火車站定爲禁止重炮炮擊的目標。當然，由於火車站和白玉山是互爲依託，只要是攻下了白玉山，火車站也就是垂手可得了。
不過在進攻白玉山時，人民軍遭到了進攻旅順以來最頑強的抵抗。在人民軍向白玉山發動進攻時，日軍己搶先一步，派兩個聯隊在山上駐防。雖然日軍無法在山上構建完善的陣地，但畢竟是佔據了有利的地形，而且日軍還有意將人民軍放到半山腰，然後從山頂上衝殺下來，和人民軍進行白刃作戰，日軍的刺刀戰術本來就在人民軍之上，又有居高臨下的優勢，因此自然是勢不可擋，一個衝鋒就將人民軍的進攻給打算了。
人民軍的指揮官見狀，到也並不急於發動第二次進攻，而是呼叫炮兵，對白玉山再次進行炮擊。而日軍見人民軍的炮擊再來，立刻又將大軍從山上撤下，僅僅只留下少數士兵在山頭警戒，等人民軍的炮擊停止，再次發動進攻時，才又將軍隊調上山頭駐守，結果再次擊退了人民軍的進攻。
這時人民軍己佔領旅順絕大部份地區，日軍的陣地只剩這一個，因此第1師調來了兩個團，分派三個營，分別從三面進攻白玉山，又派出兩個營，前後堵住火車站，海軍陸戰隊也出動一營，隔着龍河，對火車站的日軍進行火力壓制。
而且人民軍也吸取了前兩次進攻白玉山失敗的教訓，並沒有呼叫炮兵對白玉山發動炮擊，而是改用迫擊炮來協同配合步兵作戰，迫擊炮部隊緊隨在進攻部隊的身後，層層進逼，並不斷開火轟擊山上的日兵，而步兵也不急於口氣就衝上山頭，而是充份利用迫擊炮的火力掩護，徐徐向山頭推進。
這一來日軍果然就難以適應，不能再從容易的等着人民軍進攻上來，因爲迫擊炮的炮彈不斷的頭頂上落下來，雖然迫擊炮的爆炸威力不如火炮，但白玉山上也沒有什麼像樣的陣地工事，就算是有也被2輪炮擊給炸得差不多了，因此迫擊炮也同樣可以給日軍造成沉重的打擊。
但日軍不能就這樣等在山頂上挨炮，只能還不等人民軍衝到半山，就主動向人民軍發動了進攻，而這時三個方向進攻的人民軍都纔剛剛推進到白玉山的山腳位置。而日軍主動衝下白玉山，反到是給了人民軍機會，前排的士兵立刻組成線形陣列，舉槍射擊，不少日兵就這樣倒在向山下衝的路線。
當然這樣的線形陣列是不可能阻擋日軍的衝鋒，但畢竟能夠給日軍造成一定的損失，挫動日軍的銳氣，然後再迎上去和日軍進行白刃作戰。
由於白刃戰的位置是在山腳下，因此日軍也失去了居高臨下的優勢，而且在人數上也少於人民軍，儘管刺刀術要強於人民軍，但一時間雙方殺了一個難分難解，勢均力敵。
當然到了這個時候，戰術己經沒有作用，雙方的指揮官也無能爲力，比拼的是雙方士兵的鬥志、拼勁、技術、以及決心，日軍在戰前都是經過了動員的，大部份士兵都做好了必死的準備，而人民軍的戰士們也同樣是經勵了動員鼓勵，而且人人心裡都有必勝的決心，因此雙方的士兵都表現得十分勇敢，視死如歸，毫不退縮。刺刀與刺刀交擊，*與槍桿發生激烈的碰撞，還有拳打、腳踢、頭撞、抱摔等等，其間還夾雜着無數的槍擊、爆炸、怒吼、慘叫、喝叱等聲音。
雙方激戰了近1個小時，儘管到了這個時候，日軍的拼勁和決心並不在人民軍之下，但人數上的劣虜卻漸漸擴大，原因就在於人民軍有援軍支揮，而日軍卻沒有。
乃木希典到了這個時候也無計可以，日軍共計有5個聯軍，這時己在白玉山陣地投入了3個聯軍，還有兩個聯軍留守火車站陣地，但同樣遭到了人民軍的猛烈進攻，儘管人民軍沒有使用大口徑火炮、迫擊炮打擊火車站陣地，但60迫擊炮、擲彈筒卻還是可以用的，這些武器對固定建築的損毀不大，但對士兵的威脅還不小，而且在龍河對岸還有一個營的人民軍以瘋狂的火力壓制，因此根本沒有多餘的兵力增援白玉山的日軍了。
結果日軍越打越少，並且不斷的後退，而人民軍則是步步進逼，從山腳一直退到半山腰，然後再退到山頂上，不過在沿路上都留下了大量的日軍，人民軍士兵的屍體，而退到山頂之後，日軍就己無路可退，有一部份退到了火車站陣地，還有一部份則向人民軍投降，畢竟決心戰死的這時基本都己經戰死了。
攻下了白玉山之後，旅順火車站就完全暴露在人民軍的兵鋒下，因此在稍做修整之後，人民軍立刻向旅順火車站發動了最後的進攻。
到了這個時候，儘管還有不少士兵在拼死抵抗，但日軍的大勢已去，火車站陣地被不斷的突破，最終只用了不到30分鐘時間，就完全攻佔了火車站，並且在一個房間裡，發現了自盡的乃木希典大將的屍體。
就這樣經過了8天的激戰，人民軍終於徹底攻佔了旅順地區，爲華東政府在遼東半島上獲得了一個港口，並且徹底打開了遼東半島的缺口。
在全部的戰鬥中，日軍共計陣亡22764人，被俘7851人，被俘後勤人員10843人，在俘虜人員中，傷員的數量超過了半數，而在被俘後勤人員中，有超過半數爲技術人員，另外還有約600餘名醫務人員，其中有327名女性醫務人員；另外還擊斃了657名俄兵，俘虜6274人；而人民軍方面也陣亡了2813人，3742人受傷，失蹤67人，不過受傷的戰士大多是輕傷，10天內至少有一半的受傷戰士可以傷愈恢復戰鬥能力。
另外旅順也是日軍的一個重要的武器物資基地，日軍維持戰爭所需要的武器物資有超過7成，都是經旅順輸送到其他各戰場上，儘管現在遼陽纔是日軍的司令部所在地，但在旅順仍然屯積着約一半的有物資，當然現在全部成爲人民軍的戰利品。
其中主要的武器有包括有：火炮24門，步槍17358支，各種炮彈22560發，子彈527500發，*2134噸，；其他物資則包括各種糧食約3.2萬噸，罐頭8250公斤，藥品5140公斤，馬驢牲口2500匹，火車頭6輛，車廂47節。還有如布匹、木材、鋼材、水泥等等，也各有若干。
雖然日軍的步槍是用的6毫米子彈，和人民軍步槍的7.62毫米子彈不能通用，因此繳獲的步槍和子彈的用處到並不大，但攻佔旅順之後的收穫相當巨大的，對人民軍下一步的作戰有很大的作用。
另外，競然還在旅順港發現了3艘戰列艦和一艘裝甲巡洋艦，原來都是原俄國太平洋艦隊的軍艦，爲戰列艦列特維贊號、勝利號、波爾塔瓦號，裝甲巡洋艦巴洋號。原來俄國太平洋艦隊有7艘戰列艦，旗艦彼得羅巴甫洛夫斯克號觸雷沉沒，第二旗艦皇太子號在黃海海戰中突圍出逃，但被人民軍海軍攔截俘虜，現在成爲人民軍海軍秩序中的威洋號戰列艦。
而其餘5艘戰列艦以及裝甲巡洋艦巴洋號在黃海海戰之後退回到旅順港中，在日本進攻旅順時，將這6艘軍艦全部擊沉在港口中。而日軍佔領旅順之後，發現這6艘軍艦的沉沒位置都不深，甚致軍艦都並沒有完全沒擊，而且這幾艘軍艦的艦齡都不超過10年，而且聯合艦隊只剩下4艘軍艦，因此日本決定將這幾艘軍艦全部打撈起來修復，編入聯合艦隊，現在己打撈起來4艘，只有戰列艦塞瓦斯托波爾號、佩列斯維特號還沒有打撈。當然也全部成爲人民軍的戰利品了。