近代旅顺要塞的建设始于十九世纪八十年代，李鸿章选定旅顺为海军基地后，便在旅顺沿岸修筑炮台。从1880年至1885年间共修筑了十座炮台，其中港口西岸6座，港口东岸4座，1888年北洋海军正式建立后，清政府又在旅顺后边陆地的椅子山、案子山、松树山、二龙山、东鸡冠山一袋修筑了17座堡垒和炮台。
沙皇俄国强租旅大地区后，为把旅顺作为担负黄海海区作战任务、保障分舰队兵力训练和进行日常活动的海军基地，同时为保障这个基地及其驻扎军力的安全，决定把旅顺建成一个综合性防御的要塞城市。1898年1月，俄国派遣专家小组对旅顺进行全面勘测和设计，1900年2月正式开始大规模施工建筑。在战争爆发前的四年多内，俄国花费了1100万卢布的巨资，雇用了上千名外国技术人员，驱赶数万名中国劳工，修筑了四十多座堡垒和七十多座炮台，初步形成了包括对水面舰艇、抗登陆和对陆上作战在内的要塞防御体系。对水面舰艇、抗登陆防御区域设在旅顺港东西两侧长9公里的海岸线上，一共有22座炮台，配置280mm以下口径的大炮133门，其中唠律嘴有4座炮台，装备大炮36门，负责海面以及盐场湾的防御任务，封锁旅顺东港的入口；黄金山有7座炮台，装备大炮36门，担负海上打击敌军舰艇的任务以及支援陆上作战；老虎尾半岛共有11座炮台，装备大炮61门，主要负责打击敌军水面舰艇阻拦敌舰靠近港口以及支援陆上作战。陆地防线则分成内外两个防御圈，全纵深为60公里。外围防御圈构筑了三道阵地，第一道阵地以南山为重点，防御面宽4~5公里，纵深7~9公里，有永备、半永备工事；第二道阵地在双台沟——龙王塘一线，防御正面宽20~25公里，纵深4~5公里，筑有半永备和野战工事；第三道阵地设在凤凰山一线，防御正面宽18~20公里，纵深3~4公里，筑有野战工事。
内部防御则以要塞堡垒为整个防御体系的核心，同样构筑三道阵地。前沿阵地设在尔灵山、侯石山、大顶子山、水师营南方堡垒、龙眼北方堡垒、大孤山、小孤山一线，纵深为1~2公里，修筑堡垒和炮台22座，阵地配置大炮22门。核心阵地为要塞堡垒地域的核心，东南起自唠律嘴，经东鸡冠山、二龙山、松树山、椅子山、案子山、大汤沟、潘家沟，直达西南的白狼山为止，是一条长二十多公里纵深2~4公里的弧形防线；核心阵地在内部又分为东北西三段，东部阵地从唠律嘴至龙河，宽约8~10公里，工事最为坚固；北部阵地从龙河到羊头山，宽约5~6公里；西部阵地从羊头山至白狼山，宽约7~8公里；整个核心阵地一共有堡垒和炮台76座，配置大炮392门。边缘阵地则设置在老旅顺市区边缘，从白玉山西北起至摸珠礁，防御面宽7公里，有堡垒炮台6座，大炮19门。
这些阵地每道都设置了地雷场、电网、铁丝网等工事以及深达3~4米的外壕沟等障碍物。要塞内部的通讯联络则以有线通电为主，辅以无线电和徒步通信。俄军在旅顺要塞的部队为关东支队，总兵力42500人，直辖远东总督府。他们的任务主要有三点，一是保卫要塞与基地安全，二是牵制和消耗日军主力，三是保卫分舰队的后方安全。其中东西伯利亚第四狙击步兵师负责金州、大连防御；东西伯利亚第七狙击步兵师负责在外围第二道防御阵地进行防御；海军分舰队则负责海上防御，与敌人海军作战。
而日军大本营在制定日俄战争的原计划中则并没有从陆上进攻占领旅顺的企图，而是采取由海军歼灭俄国太平洋分舰队或者封锁旅顺口的方式来掌握制海权保障主力决战。但由于联合舰队的几次封锁作战都不理想没有达到预定目的，导致俄国分舰队依然能够出海作战，随时可以对日军海上运输线构成威胁。在此情况下，联合舰队只好在旅顺港外等待俄国舰队出击。5月15日9时50分，联合舰队战列舰初濑、八岛前往拦截俄军布雷舰编队，结果全部触雷沉没，船上的493名官兵也葬身海底，与此同时俄国决定派遣由波罗的海舰队编成的太平洋第二分舰队前往远东增援。得到这个消息后日军大本营决定在与俄国陆军主力决战之前，先在海军配合下从陆路攻占旅顺并歼灭旅顺港内的俄国分舰队，为歼灭远道而来的俄国太平洋第二分舰队创造条件。
5月中旬，针对旅顺要塞的地理条件和防御水平，日军大本营决定了“海军从正面封锁、陆军从要塞背后实施攻击”的作战计划。其主要作战目标有四点，一是攻取金州地区蜂腰部的南山要点，割断旅顺俄军与后方的联系，使其陷入孤军作战的境地；二是占领大连、在大连湾建设前进基地；三是扫清外围、强攻要塞、夺占旅顺；四是歼灭俄国分舰队。
根据这个作战计划，日军大本营命令第二集团军夺取南山要点，之后率领第三、第四、第五师快速北上，摆出寻找俄军主力决战的假象，迷惑俄军不能正确判断日军企图以争取较多的时间便于日军完成进攻旅顺的部署，而攻击旅顺要塞的任务就交给了日军第三集团军；至于联合舰队，则主要负责海上封锁、护送日军第三集团军成功登陆，以及使用舰炮协助陆军打击旅顺要塞的防守力量。
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