近代旅順要塞的建設始於十九世紀八十年代，李鴻章選定旅順為海軍基地後，便在旅順沿岸修築炮臺。從1880年至1885年間共修築了十座炮臺，其中港口西岸6座，港口東岸4座，1888年北洋海軍正式建立後，清政府又在旅順後邊陸地的椅子山、案子山、松樹山、二龍山、東雞冠山一袋修築了17座堡壘和炮臺。
沙皇俄國強租旅大地區後，為把旅順作為擔負黃海海區作戰任務、保障分艦隊兵力訓練和進行日常活動的海軍基地，同時為保障這個基地及其駐紮軍力的安全，決定把旅順建成一個綜合性防禦的要塞城市。1898年1月，俄國派遣專家小組對旅順進行全面勘測和設計，1900年2月正式開始大規模施工建築。在戰爭爆發前的四年多內，俄國花費了1100萬盧布的巨資，僱用了上千名外國技術人員，驅趕數萬名中國勞工，修築了四十多座堡壘和七十多座炮臺，初步形成了包括對水面艦艇、抗登陸和對陸上作戰在內的要塞防禦體系。對水面艦艇、抗登陸防禦區域設在旅順港東西兩側長9公里的海岸線上，一共有22座炮臺，配置280mm以下口徑的大炮133門，其中嘮律嘴有4座炮臺，裝備大炮36門，負責海面以及鹽場灣的防禦任務，封鎖旅順東港的入口；黃金山有7座炮臺，裝備大炮36門，擔負海上打擊敵軍艦艇的任務以及支援陸上作戰；老虎尾半島共有11座炮臺，裝備大炮61門，主要負責打擊敵軍水面艦艇阻攔敵艦靠近港口以及支援陸上作戰。陸地防線則分成內外兩個防禦圈，全縱深為60公里。外圍防禦圈構築了三道陣地，第一道陣地以南山為重點，防禦面寬4~5公里，縱深7~9公里，有永備、半永備工事；第二道陣地在雙臺溝——龍王塘一線，防禦正面寬20~25公里，縱深4~5公里，築有半永備和野戰工事；第三道陣地設在鳳凰山一線，防禦正面寬18~20公里，縱深3~4公里，築有野戰工事。
內部防禦則以要塞堡壘為整個防禦體系的核心，同樣構築三道陣地。前沿陣地設在爾靈山、侯石山、大頂子山、水師營南方堡壘、龍眼北方堡壘、大孤山、小孤山一線，縱深為1~2公里，修築堡壘和炮臺22座，陣地配置大炮22門。核心陣地為要塞堡壘地域的核心，東南起自嘮律嘴，經東雞冠山、二龍山、松樹山、椅子山、案子山、大湯溝、潘家溝，直達西南的白狼山為止，是一條長二十多公里縱深2~4公里的弧形防線；核心陣地在內部又分為東北西三段，東部陣地從嘮律嘴至龍河，寬約8~10公里，工事最為堅固；北部陣地從龍河到羊頭山，寬約5~6公里；西部陣地從羊頭山至白狼山，寬約7~8公里；整個核心陣地一共有堡壘和炮臺76座，配置大炮392門。邊緣陣地則設置在老旅順市區邊緣，從白玉山西北起至摸珠礁，防禦面寬7公里，有堡壘炮臺6座，大炮19門。
這些陣地每道都設置了地雷場、電網、鐵絲網等工事以及深達3~4米的外壕溝等障礙物。要塞內部的通訊聯絡則以有線通電為主，輔以無線電和徒步通信。俄軍在旅順要塞的部隊為關東支隊，總兵力42500人，直轄遠東總督府。他們的任務主要有三點，一是保衛要塞與基地安全，二是牽制和消耗日軍主力，三是保衛分艦隊的後方安全。其中東西伯利亞第四狙擊步兵師負責金州、大連防禦；東西伯利亞第七狙擊步兵師負責在外圍第二道防禦陣地進行防禦；海軍分艦隊則負責海上防禦，與敵人海軍作戰。
而日軍大本營在制定日俄戰爭的原計劃中則並沒有從陸上進攻佔領旅順的企圖，而是採取由海軍殲滅俄國太平洋分艦隊或者封鎖旅順口的方式來掌握制海權保障主力決戰。但由於聯合艦隊的幾次封鎖作戰都不理想沒有達到預定目的，導致俄國分艦隊依然能夠出海作戰，隨時可以對日軍海上運輸線構成威脅。在此情況下，聯合艦隊只好在旅順港外等待俄國艦隊出擊。5月15日9時50分，聯合艦隊戰列艦初瀨、八島前往攔截俄軍佈雷艦編隊，結果全部觸雷沉沒，船上的493名官兵也葬身海底，與此同時俄國決定派遣由波羅的海艦隊編成的太平洋第二分艦隊前往遠東增援。得到這個消息後日軍大本營決定在與俄國陸軍主力決戰之前，先在海軍配合下從陸路攻佔旅順並殲滅旅順港內的俄國分艦隊，為殲滅遠道而來的俄國太平洋第二分艦隊創造條件。
5月中旬，針對旅順要塞的地理條件和防禦水平，日軍大本營決定了“海軍從正面封鎖、陸軍從要塞背後實施攻擊”的作戰計劃。其主要作戰目標有四點，一是攻取金州地區蜂腰部的南山要點，割斷旅順俄軍與後方的聯繫，使其陷入孤軍作戰的境地；二是佔領大連、在大連灣建設前進基地；三是掃清外圍、強攻要塞、奪佔旅順；四是殲滅俄國分艦隊。
根據這個作戰計劃，日軍大本營命令第二集團軍奪取南山要點，之後率領第三、第四、第五師快速北上，擺出尋找俄軍主力決戰的假象，迷惑俄軍不能正確判斷日軍企圖以爭取較多的時間便於日軍完成進攻旅順的部署，而攻擊旅順要塞的任務就交給了日軍第三集團軍；至於聯合艦隊，則主要負責海上封鎖、護送日軍第三集團軍成功登陸，以及使用艦炮協助陸軍打擊旅順要塞的防守力量。
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