Расплата наступила быстро. Соотношение наступающих и обороняющихся менялось явно не в пользу русских. Армия Ноги насчитывала 60 тысяч человек, защитников было не больше 16 тысяч. Японцы теснили, кольцо осады стягивалось. Установив на берегу осадные орудия, 25 июля японцы начали расстреливать корабли, стоявшие на внутреннем рейде. Теперь от полного уничтожения эскадру мог спасти только прорыв во Владивосток.
28 июля 1904 года В.К. Витгефт снова вывел свои корабли в море. Бой, вошедший в историю как сражение в Желтом море, успеха русским не принес. Через два часа после начала сражения на мостике флагманского броненосца «Цесаревич» был убит адмирал В.К. Витгефт. Вскоре в боевую рубку попал второй снаряд. «Цесаревич» потерял управление и вышел из строя. Боевой порядок эскадры нарушился. Часть кораблей погибла под огнем противника, часть прорвалась в нейтральные порты, где была интернирована. Остальные вернулись в осажденный Порт-Артур. Ослабленная очередным поражением Тихоокеанская эскадра теперь уже не могла рассчитывать на победу. С кораблей стали снимать на берег орудия, из экипажей формировать береговые команды.
Силы защитников постоянно таяли: к декабрю 1904 года в строю их осталось чуть больше шести тысяч. Ждать помощи было неоткуда. С моря крепость была блокирована. В телеграмме от 19 декабря 1904 года А.М. Стессель докладывал императору: «Я приказал ночью отойти на горы… Большая часть восточного фронта в руках японцев. На новой позиции долго не продержимся, а затем должны будем капитулировать. Но все в руках Бога. У нас большие потери… Великий Государь, Ты прости нас. Сделали мы все, что было в силах человеческих. Суди нас, но суди милостиво. Почти одиннадцать месяцев беспрерывной борьбы истощили наши силы; лишь одна четверть защитников, из коих половина больных, занимает 27 верст крепости без помощи, даже без смены для малого хотя бы отдыха. Люди стали тенями». Опасаясь, что при очередном штурме «японцы ворвутся в город и истребят раненых и остатки гарнизона» генерал А.М. Стессель вступил в переговоры с японцами. 20 декабря 1904 года Порт-Артур капитулировал.
Решение о сдаче крепости А.М. Стессель принял сам и вопреки мнению большинства на состоявшемся накануне военном совете крепости. В интервью, данном французскому журналисту уже после капитуляции, он сказал: «Сопротивляться далее было невозможно. Да, невозможно! Вы думаете у меня не разрывалось сердце, когда я решил сдать… крепость, которую я клялся отстоять для моего Царя и моей родины? Я один решил это сдать и всю ответственность взял на себя. Я колебался… Но что же мне было делать? Дать истребить всех защитников, зная что никакое сопротивление не поможет… Я не считал этого возможным. Мне казалось, что гуманность вменяет мне в обязанность избежать жестокой бойни, резни солдат, лишенных возможности защищаться». Что и говорить, наверное, в этом и заключалось одно из проявлений мужества военачальника.
