日清戦争では大島混成旅団の参謀、明治30年（1897年）には軍務局第2軍事課長を勤め、ドイツ派遣を経験する。明治35年（1902年）には陸軍少将となり、歩兵第9旅団長を務める。明治37年（1904年）からの日露戦争では大本営陸軍部参謀次長として行動した。明治38年（1905年）、5月末の日本海海戦における圧倒的な勝利ののち、ロシア帝国との講和条件を少しでも日本側に有利なものとするため、講和会議に先立って樺太を占領すべきであると考え、長岡は樺太占領作戦を軍首脳に上申したが、海軍は不賛成であり、陸軍参謀総長の山縣有朋もこれに同意しなかった。そのため長岡は、満州軍の児玉源太郎に手紙を書いて伺いを立て、その返信を論拠に説得作業を展開、これにより7月以降の樺太作戦が決まった。結果的に、この作戦は9月5日成立のポーツマス条約における講和条件のひとつである南樺太割譲に大きな影響をあたえた。