Sie gehörte dann zu den russischen Schiffen, die während der Belagerung durch die Japaner in Port Arthur eingeschlossen wurden. Obwohl die Schäden der Schlacht im Gelben Meer rasch beseitigt wurden, lief sie nicht wieder aus. Sie gab Teile der Besatzung und leichte Geschütze an die Verteidiger an Land ab und unterstützte die Verteidigung mit ihrer schweren Artillerie. Im September erhielt sie erstmals auch einen Treffer durch die japanische Landartillerie. Diese schaffte 280-mm-Haubitzen heran und eroberten für diese Positionen, um die Linienschiffe im Hafen außer Gefecht zu setzen. Am 5. Dezember erhielt die "Poltawa" so schwere Treffer, dass sie im Hafen in flachem Wasser sank. Vor der Kapitulation der Stadt am 2. Januar 1905 wurden durch die russische Restbesatzung weitere Zerstörungen vorgenommen, um eine Bergung durch die Eroberer unmöglich zu machen.