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进攻旅顺口的日军看到了清军防线布局上的失误和清军各顾自己的情况后，长古川沾沾自喜，于是命令各大队组织日军增援于大山的日军，集中优势兵力将驻防清军采取各个击破的方法各个击破。

清军约4000人分两队向水师营东北高地和被日军占领的于大山方面进发，准备攻击于大山。到达于大山附近的盘龙山位置时进入战斗态势。向于大山日军阵地发起炮击。在炮兵掩护下清军向碾盘沟南方高地迂回包围，双方互相猛烈对射，清军炮兵的轰击威力明显压制了日军火力。

此时日军野战炮兵第一联队赶到，日军士气顿时高涨。双方炮兵展开阵地炮击战，日军炮兵弹着准确，清军炮兵火力很快被压制下去。增援于大山、金家屯附近的日军支队向碾盘沟西侧迂回，企图从侧背包围清军。清兵发现日军欲断后路，防守阵势开始动摇，接着放弃阵地仓皇逃跑。

防卫东鸡冠山的徐邦道带领的拱卫军也遭到日军相同的围攻，徐邦道的拱卫军坚强抗击，日军调集野战炮兵火力拱卫军堡垒群阵地炮击，一时间双方枪炮战激烈。

武库附近冲出清军二百余骑兵和二百步兵企图增援毅字军，途中受到日军猛烈阻击将队伍冲散，溃兵向旅顺市街方向逃去。日军攻势凶猛，很快瓦解了清军的防御阵地，日本援军不断涌来，随后大坡山、小坡山、蟠桃山等炮台也先后沦陷。

清军中又出现了贪生怕死的败类。驻守白玉山的卫汝成预备队，因卫汝成自己率亲兵逃跑，丢下所部无人指挥，士兵们也放弃了阵地，纷纷向海边炮台撤退，日军不费力气地得到了白玉山炮台。

白玉山炮台工事都建在峻峭的山峰上，居高临下，侵犯的敌人在这种地形下进攻非常不容易，要攀爬山坡仰攻山上的守军非常困难，防护工事里的炮手能够轻易地将进攻的人击毙。如此坚固的炮台没开一炮，就被他们轻易丢掉了。

被日军击溃的清军，和各路溃败下来的清军撤退到旅顺城。