日军攻陷大连湾后，并没有急于向旅顺进发。山地元治下令各部在大连湾休整一个星期。用他的话说是慢慢吞掉旅顺这块肥肉。
日军大本营在接连得到攻占金州、大连湾的战报后，对第一师团的攻击力充满了信心，除了祝贺山地将军取得重大胜利的电报外，并没有对攻占旅顺的日期作限制，大本营的最高统帅们已将旅顺口划在日军的占领范围之内。
原本估计一场异常艰苦的战役，没想到竟没有一丝硝烟味，日军在金州、大连湾中的损失，仅死亡士兵14人，失踪3人。
11月9日，山地将军在大连湾靠近海岸的一座高大的俄式建筑内，举行将佐以上人员参加的庆功大会。他端起酒杯逐一向在座的部属举杯庆贺，傲慢地声称，大日本帝国的军队是世界上最勇武的军队。
11月12日，日本侦察部队95人分三路深入清兵阵地前沿，侦察防御阵地和地形。
山本小队长带领30人从大连湾日军驻地出发时，是上午9时，他们每人带了一支短枪和一把军刀，穿着军服大摇大摆地向旅顺口东南的刘家沟、岔沟、鞍山岭出发。
另一支部队由川崎中队长带领，士兵45人，目标是三涧堡，水师营至松树山以西的清军军营。
冈村中队长一部侦察的目标是黄海北岸的小平岛。
因为不熟悉地形，川崎中队长派一军曹率领两名士兵到附近的村庄里寻找向导，不一会儿便带来了两名中国人，这两名中国人给他们带来了不少的麻烦。他们在附近的山路上转了两个小时后，川崎发现并没接近预定的目的，反而离目的地越来越远，川崎中队长愤怒不遏，猛挥起军刀，将两名中国人的人头砍下，抛入山谷之中。
直到太阳落山，川崎中队长才接近松树山以西的清军营地。当他们接近兵营时，驻守的清兵发现了这队侦察部队，但清军并没有攻击他们，只是躲守在坚固的炮台内向他们开炮开枪射击。
直到离营地500米，川崎才命令部队停下来，他们在清军营地前逗留了一个小时，连夜赶回大连湾驻地。
冈村在龙王塘与驻守的清军交过火，一名士兵被清军击中小腿。他们在回来的路上，还遭到十几名中国老百姓的伏击，这群老百姓以菜刀、铁锨为武器，打得异常勇武，但没有使一名日军受伤。
11月17日，日军开始集结准备进犯旅顺。上午8时，日军除十五联队，第一联队第二大队留在金州外，其余主力全部由高家窑出发，向旅顺进犯。东乡平八郎率领的海军舰队也同时开往旅顺，协助陆军攻击旅顺。
进攻的日军分三个纵队：由秋山好古少佐率骑兵第一大队及第六大队的第一中队为搜索骑兵队；由山地元治指挥的第一师团本队和长谷川好道指挥的混成第十二旅团各部为右翼纵队。骑兵搜索队和右翼纵队由西路经南关岭、贾家屯、三十里堡、牧城驿、营城子、双台沟、许家窑、泥河子等地，进攻旅顺西北椅子山、案子山一线清军后路左翼堡垒团。由步兵第十四联队长益满德次中佐率所部步兵及部分骑兵、工兵、炮兵为左翼纵队，由金州出发，经苏家屯、辛寨子、马兰沟、岔沟、鞍子岭，在黄泥川、龙头一带集结，进攻旅顺东北鸡冠山一线清军右翼堡垒团。
当时驻守旅顺的清军有前兵三营、庆字军五营、马队一哨、桂字军五营、和字军四营，共8000多人。金州之役后，由金州大连湾败退到旅顺的有拱卫军、怀字军约3600多人，捷胜营数百人。旅顺守军合计33营12700余人（不包括水雷营、鱼雷营及守卫仓库、衙门和道台亲兵），但其中约9000人为新募之伍，仓促成军，未经过训练和战阵。
17日，进攻旅顺的日军右翼纵队经南关岭、牧城驿到达营城子（在土城子东北约14公里）。为了主动阻击进犯之敌，徐邦道会同姜桂题、程允和所部马步5000余人，再往土城子迎战。
18日晨7时，日军搜索骑兵第一大队第二中队由营城子出发，10时到达三涧堡（土城子北1公里），发现清军马步200余人占领了土城子南方高地。
日军骑兵搜索队司令官秋山好古正准备下令发动进攻，发现清军兵力在陆续增加。
10时40分已增加到五六百人，并尚在陆续增加。
秋山好古见势不妙，正准备掉头逃跑，清军已分东西两路取钳形攻势包抄过来。一路由正面前进，到达土城子东北，进攻日军左翼；另一路占领山涧堡日军阵地南面的蒋家屯和西南方的傅家甸子。逼近200～300米处，向日军发起猛烈进攻，当即将骑兵大尉浅川敏靖击伤。
日军狼狈后撤。幸有步兵第三联队第三中队赶来相救，日本骑兵才得以退出重围。但清军800余人又从土城子东面的周家屯向日军左侧背后包抄过来，日军处境十分危险。
这时，由营城子出发的日军第三联队第一大队在丸井正亚少佐率领下，到达双台沟（土城子东北约9公里）。
秋山少佐急忙派人求援，丸井立即率队赶来。其前卫第三中队刚至长岭子（双台沟西南约4公里），就被由傅家甸子和周家屯两路包抄过来的清军团团围住。
日军企图向许家窑（长岭子西2公里）溃退，被清军截住退路。日军搜索骑兵及第三中队濒于被歼灭的边缘。丸井少佐见状，急令第二、第四两个中队增援。
双方对峙，“战斗愈加激烈”。
正午，清军在长岭子南2公里的东北沟东南高地上架起两门大炮，向日军猛轰。
步兵和马队也向日军左侧发起进攻，日军见势不妙，便集中兵力，准备冒险突围逃命，但徐邦道所部骑兵已截住日军退路，将敌军马队割成数段，使敌陷入重重包围之中。
敌派步兵援救亦陷入重围。清军展开新的攻势，战斗更加激烈起来。
接着日军第二、第四中队逐渐向双台沟败退，日军狼狈逃窜，伤亡惨重，最后败退到双台沟以北。
土城子反击战是甲午战争爆发以来清军陆军的一次重大胜利，给了日军以沉重打击。此役，据日军自己公布死伤合计46人。
这次胜利沉重地打击了日军那种骄横不可一世的侵略气焰，粉碎了日军不可战胜的神话。
日军自己也不得不承认：土城子战斗的失败是对“日本军队最有效刺激的良药”，认识到今后对清军“绝不能妄加蔑视，战阵必须慎重戒备”。
