日军强攻被挫败，令俄军士气一振。俄军统帅们的如意算盘是利用旅顺的有利地势和坚固工事，一方面牵制诸如日军第三军这类的敌军主力，以减轻日军对其他战场上俄军的压力，另一方面固守待援，在不断消耗日军的同时，等待正在组建的俄太平洋第二舰队的到来，以便最终夺回战场主动权。
而在强攻失败后，日军大本营的作战意图愈加明确：必须尽快占领旅顺。因为只要胜利地结束在旅顺战斗，第三军才能从旅顺解脱出来，进而同其他日军汇合，在辽东半岛同俄国陆军主力展开角逐和决战。如果上述作战意图落空，后果无非是这样的：一、第三军继续在旅顺城下进行消耗，严重的减员将使它在俄军面前捉襟见肘；二、如果不能彻底消灭旅顺港中的俄太平洋舰队，日本就不可能取得这场战争的胜利。尤其是一旦俄太平洋第二舰队赶到，并同港内的舰队汇合，俄国就有望夺回制海权，日本已经取得的战果势必因此而丧失殆尽。
不到五天的时间，日军第三军开始了第二次强攻，强攻的主要目标仍是203高地。为了这次强攻，日军事先在旅顺外围构建了新的炮兵阵地，装备了一批11英寸大口径攻城炮。与第一次强攻是以步兵的潮水般冲锋开始不同，在第二次强攻中，日军注重了炮战。而俄军毫不示弱，他们将太平洋舰队主力舰上的大口径火炮拆下后安放到陆军阵地上，与日军针锋相对。日军又紧急从国内调集来28厘米口径的榴弹炮，装备第三军炮兵。另外，停泊在海上的日海军还用舰炮支援陆军的强攻。
在203高地前沿，日军在炮火的掩护下，采用开凿地道的办法来接近俄军阵地，然后实行爆破。这些地道的只距俄军阵地不到50米。但俄军对此早有察觉，他们或开炮或抛掷炸药包以阻拦日军，同时也效仿日军，同样用开凿地道的办法来接近日军阵地，破坏日军的工事。激战多日，双方僵持在203高地前沿阵地。日军只是占领了前沿上几个无关紧要的地段，但却又付出了6000人阵亡的代价。经过1个多月的相持，10月30日，日军再度动用重炮进行强攻，尽管炮击使俄军工事损坏严重，但俄军仍牢牢掌握着203高地。一位参战者事后写道：“这不是人与人之问的斗争，而是人与钢铁、燃烧着的石油、炸药和尸臭的斗争。”
然而，对于日本来说更为严峻的是，10月中旬，俄太平洋第二舰队已经起航，正在驰援旅顺的路上；11月上旬，俄国陆续向旅顺地区调集陆军，企图扭转俄军兵力明显弱于日军的局面。日本海军大将东乡平八郎频频向日军大本营告急：如果到11月底旅顺战况仍无明显变化，日海军对海上的封锁将会减弱。他还以个人名义致信乃木希典，要求他尽快攻克旅顺，扭转对日军愈加不利的形势。
最高统帅部，作出彻底消灭旅顺港内俄军舰队的决定。乃木希典奉日本最高统帅部的命令，决定发起第三次强攻，一举攻占旅顺，彻底摧毁俄太平洋舰队，使其再无法与远道而来的俄太平洋第二舰队汇合。