この戦いでの損害は日本軍は戦死924名、負傷3,925名。ロシア軍は戦死約600名、負傷約2,200名だった。24日より各部隊は攻撃目標に向けての対壕建設を再開したが敵に近づくにつれて相手からの阻害攻撃が激しくなり工事は停滞する。それでも各師団の奮闘で突撃陣地の構築を18日には完了する。これを受けて第三軍は再度の総攻撃を決断した。当時は28センチ榴弾砲の追加送付分が準備の出来る10月27日頃を総攻撃の日と考えていたが、各砲の砲弾の不足が深刻化しだしていた。乃木は大本営に1門300発の補給を要請した(ちなみに当時要塞を落とす際に必要な砲弾数は1門につき1000発が基本的な数だった)が、補給を受ける事は出来なかった。また10月16日にはロシア第二太平洋艦隊(通称「バルチック艦隊」)がリバウ港を出航した事を受け、乃木は砲弾不足を承知で第二次総攻撃を行わざるを得ない状況下におかれた。
第一回総攻撃が失敗に終わった後、東京湾要塞および芸予要塞に配備されていた旧式の対艦攻撃用だった二八センチ榴弾砲（当時は二十八糎砲と呼ばれた）が戦線に投入されることになった。通常はコンクリートで砲架（砲の台座のこと）を固定しているため戦地に設置するのは困難とされていたが、これら懸念は工兵の努力によって克服された。二八センチ榴弾砲は10月1日、旧市街地と港湾部に対して砲撃を開始。20日に占領した南山坡山を観測点として湾内の艦船にも命中弾を与え損害をもたらした。しかし艦隊自身は黄海海戦ですでに戦力を喪失しており、この砲撃も劇的な戦果をもたらしたわけではなかったが、要塞攻撃にも効果ありと判断し砲を増やしていき最終的に18門が投入された。
同師団は右翼隊(歩兵第18旅団)の歩兵第19連隊が龍眼北方堡塁正面を、歩兵第36連隊が同堡塁の咽喉部と背後の交通壕への攻撃を行う。しかしここでも要塞側の反撃で大損害を受ける。しかし翌20日、攻城砲兵の支援砲撃を開始すると堡塁は瞬く間に抵抗力を失い、午前5時には攻略に成功する。
乃木は占領した盤龍山堡塁を起点として、23日、望台への攻撃を命じた。しかし盤龍山堡塁を占領する第九師団の戦力は予備兵力を含めても約1000名に激減しており、第1師団から歩兵第15連隊(二個大隊欠)を応援に回し、第11師団も東鶏冠山堡塁への攻撃で疲弊した歩兵第10旅団(旅団長山中少将は疲労で倒れた土屋師団長の代理で師団本部におり、指揮は歩兵第44連隊の石原大佐が執る)を応援に出す。戦力が整った各隊は24日午前2時より攻撃を開始する。しかしこれらの突入も情報を事前に察知していたステッセル中将の指示で準備を整えていたロシア軍の反撃で各隊は死傷者が続出した。午前7時、最後の予備兵力の歩兵第12連隊第一大隊が投入されるが要塞からの砲撃が激しく突撃は延期された。24日午後5時、乃木は総攻撃の中止を指示した。第一回総攻撃と呼ばれたこの攻撃で日本軍は戦死5,017名、負傷10,843名という大損害を蒙り、対するロシア軍の被害は戦死1,500名、負傷4,500名だった。第三軍はほぼ一個師団分の損害を出したことになる。この頃からロシア軍側は、旅順港内に逼塞した太平洋艦隊の海軍将兵で複数の中隊単位の陸戦隊を編成し、艦船の中小口径砲の一部も陸揚げして陸軍部隊の増援を図った。
第11師団長土屋光春中将は司令部を大弧山北嶺に移すが、敵の銃撃を受け、参謀2名が戦死した。歩兵第10旅団(旅団長:山中信義少将)は東鶏冠山北堡塁、第二堡塁を攻撃。北堡塁の方は直前に外壕が見つかり、工兵隊の犠牲のもと、巨大な外壕に二条の突入路を築き、部隊が突入するが集中砲火を浴び、突入隊隊長の本郷少佐以下多くの死傷者をだし、外壕に躍り込んだ隊は全員戦死した。第二堡塁の方は占領には成功するも退却するロシア軍が放った火が壕内の弾薬に引火し爆発、それが引き金となる周囲の堡塁砲台から集中射撃を受け突入隊隊長の吉永少佐以下死傷者が続出し、弾薬も無くなり残余兵40名はやむ無く撤退。鉄条網下の地隙に援軍をまった。僅か3時間の占領であった。
この地は太田川下流域三角州地帯内にあり、戦国時代以前には低地の砂地が広がる土地であった。安土桃山時代、毛利輝元により広島城が築城されると城下町として発展した。京橋は輝元が入城した1591年（天正19年）に木橋として架橋している。橋名の由来は、「京（京都）へ続く橋」から命名された（城から京（東）方向へ向かう場合、この橋が最初に渡る橋となる。右絵図面参照。）。江戸時代になると、毛利氏の次に入城した福島正則によって城下町は拡大整備され、それまで山沿いを通っていた山陽道（西国街道）を城下に引き込み、この橋は西国街道筋の橋となった。福島正則の改易によって浅野長晟が入城し、1635年（寛永12年）武家諸法度によって参勤交代が義務化されると、この橋は猿猴橋とともに浅野氏広島藩の参勤交代ルートとなった。また、防犯上の理由により城下は架橋制限されていたことから、この橋は京橋川唯一の橋梁であった。また当時城下はかなりの頻度で洪水被害に遭遇しており、その際にこの橋も落橋した可能性が高いが記録等は不明である。この時代、厳島神社の管絃祭において、「御供船」と呼ばれる管絃船の後ろをついていく船を、城下それぞれの川で造られていた。この船は京都祇園祭の山鉾を真似し、年々豪華に飾り立てた。1852年（嘉永5年）、京橋川に浮かぶ御供船を見物する民衆たちによって京橋が崩落し、死傷者が発生する事故が起きている。