Внезапность вражеского нападения и понесенные потери оказали пагубное влияние на моральное состояние всего личного состава русской эскадры, особенно на ее командование. После японской атаки и боя в ночь на 27 января (9 февраля) 1904 года с главными силами противника на внешнем рейде корабли, оставшиеся в строю, перешли с внешнего рейда во внутренние бассейны Порт-Артура. До завершения ремонта двух поврежденных броненосцев и крейсера решили отказаться от ведения активной обороны, ограничившись постановкой оборонительных минных заграждений. 27–29 января (9–11 февраля) 1904 года в Талиенванском заливе было выставлено более 400 якорных мин. Такая массовая минная постановка была осуществлена впервые. Однако из-за слабой подготовки командиров, плохой организации управления и связи, подорвавшись на своих же минах, погибли минный транспорт «Енисей» и крейсер 2-го ранга «Боярин».

Стремясь полностью оградить себя от противодействия с моря при высадке армии в районе Порт-Артура, в ночь на 20 апреля (3 мая) 1904 года противник предпринял очередную попытку закупорки выхода из него. Для затопления на фарватере было подготовлено 12 судов. Из-за плохой погоды и бдительности русской дежурной службы эта попытка сорвалась, и японский флот от эпизодических ударов по русской базе перешел к ее ближней блокаде. Высадка войск 2-й армии генерала Я. Оку на побережье Квантунского полуострова была проведена с 22 апреля (5 мая) по 30 апреля (13 мая) 1904 года. Связь войск, находившихся в Порт-Артуре, и эскадры с главными силами русской Маньчжурской армии и столицей была прервана.

23 апреля (6 мая), убывая из Порт-Артура, наместник царя на Дальнем Востоке адмирал Е. И. Алексеев рекомендовал контр-адмиралу В. К. Витгефту, временно назначенному командиром эскадры, атаковать транспорты противника в районе высадки, привлекая для этого миноносцы, крейсера и один из броненосцев, однако в такой форме, которая позволила считать указание необязательным к точному исполнению. После многочисленных совещаний с подчиненными и командованием Порт-Артурской крепости В. К. Витгефт только 13 (26 мая) 1904 года для поддержки дивизии, оборонявшейся в районе Кинджоу, направил канонерскую лодку и 2 миноносца. Но даже этими весьма ограниченными силами была обеспечена устойчивость обороны русских войск, сражавшихся на приморском фланге. Дивизия отступила из-за того, что противник добился успеха на другом участке.

В мае 1904-го в районе Порт-Артура в противоборстве на море усилия обеих сторон сосредоточились на ведении минно-заградительных действий. Среди причин гибели и повреждений кораблей и вспомогательных судов на первое место вышли подрывы на минах и аварийные происшествия, причем японский флот понес потери более существенные, чем русская эскадра.

Так, 2 (15) мая 1904 года на заграждении, поставленном минным транспортом «Амур», подорвались 2 японских эскадренных броненосца. На одном из них – как позже и на русском «Петропавловске» – подрыв на мине вызвал детонацию боезапаса. Так же как и русский корабль, он ушел под воду в считанные минуты. Второй броненосец, потеряв ход, остался на плаву, но довести его до базы противнику не удалось. В течение одних суток число эскадренных броненосцев Объединенного флота сократилось на треть, и во избежание таких невосполнимых потерь до завершения борьбы за Порт-Артур японский командующий отказался от ближней блокады русской базы. Всего с 29 апреля (12 мая) по 14 (27) мая погибли 7 японских кораблей – 2 эскадренных броненосца, бронепалубный крейсер, канонерская лодка, 2 авизо (посыльных корабля) и 2 миноносца.

Между тем до 10 (23) июня 1904 года главные силы Порт-Артурской эскадры в море не выходили. Боевые действия вели крейсер 2-го ранга «Новик», канонерские лодки, миноносцы и минный транспорт «Амур», выполнявший постановку минных заграждений, которые не позволяли противнику наносить русским войскам, оборонявшимся на подступах к Порт-Артуру, удары с моря. Для траления вражеских мин использовались корабельные и портовые плавсредства, включая несамоходные (специально оборудованные для этого баржи).

После того как ремонт поврежденных кораблей в Порт-Артуре был завершен, наместник адмирал Е. И. Алексеев приказал временно исполнявшему должность командира эскадры контр-адмиралу В. К. Витгефту прорываться во Владивосток. Выход в море, назначенный на утро 10 (23) июня, задержался на 6 часов из-за того, что на внешнем рейде были обнаружены поставленные противником мины. Около 5 часов вечера, когда главные силы русской эскадры (6 эскадренных броненосцев, броненосный и 4 бронепалубных крейсера, 2 минных крейсера и 7 миноносцев-истребителей) уже построились в походный порядок в 20 милях от Порт-Артура, сигнальщики флагманского броненосца обнаружили на горизонте главные силы противника (4 эскадренных броненосца и 2 броненосных крейсера). Имея 6 эскадренных броненосцев и 4 крейсера 1-го ранга, вступить в бой русский адмирал не решился. Так же, как и японский, приказавший с наступлением сумерек атаковать русские корабли миноносцами.

В ночном бою на внешнем рейде русская эскадра отразила все атаки противника, однако при подходе к месту, назначенному для постановки на якорь, подорвался на мине эскадренный броненосец «Севастополь». Благодаря смелым и уверенным действиям командира капитана 2-го ранга Н. О. фон Эссена и команды он остался на плаву, участвовал в отражении торпедных атак вражеских миноносцев и утром самостоятельно вошел на внутренний рейд, где в срочном порядке началось устранение полученных им повреждений. За мужественные и умелые действия по борьбе за выживание корабля его трюмный механик И. И. Белов был награжден орденом Святого Георгия 4 степени.

После первой попытки прорыва из Порт-Артура корабли эскадры продолжали поддерживать огнем защитников крепости. 13 (26) июня 1904 года противник, завершив блокирование крепости с суши, вновь перешел в наступление. С моря его войска артиллерийским огнем поддерживали 2 вспомогательных крейсера и 16 миноносцев. По наступавшим японским войскам вели огонь крейсера 2-го ранга «Новик» и «Всадник», канонерские лодки «Отважный», «Гремящий», «Бобр» и 14 миноносцев. К стрельбе по береговым целям привлекались крейсера 1-го ранга «Баян», «Паллада», «Аскольд», эскадренные броненосцы «Полтава» и «Ретвизан». Когда на мине подорвался «Баян», В. К. Витгефт запретил направлять для артиллерийской поддержки своих войск броненосцы и крейсера 1-го ранга. Последний выход эскадры для стрельбы по береговым целям (крейсер 2-го ранга «Новик», 4 канонерские лодки и 7 миноносцев) состоялся 27 июля (9 августа) 1904 года Наиболее ценные корабли, возвратившиеся после сражения в Желтом море в главную базу флота, были сведены в Отдельный отряд броненосцев и крейсеров в Порт-Артуре. Командовать им адмирал Е. И. Алексеев назначил капитана 1-го ранга Р. Н. Вирена.

С августа по декабрь 1904-го 3-я японская армия четыре раза штурмовала Порт-Артур, овладевая высотами, потеря которых усиливала угрозу для кораблей, стоявших во внутренних бассейнах. Попытки противодействовать врагу ударами с моря прекратились после 10 (23) августа 1904 года когда броненосец и 7 миноносцев, обстреляв позиции японских войск из бухты Тахэ, сначала вступили в бой с двумя японскими броненосными крейсерами, а затем попали на минное заграждение, где броненосец подорвался, надолго выйдя из строя.

Осенью 1904-го японские батареи стали систематически обстреливать русские корабли, добившись в течение одного месяца более 100 попаданий снарядами калибром от 120 до 280 мм.

Несмотря на это, Отряд броненосцев и крейсеров в Порт-Артуре продолжал поддерживать свои войска, нанося противнику чувствительные потери огнем артиллерии.

На суше сражались 2 морских батальона, в составе которых в августе 1904-го насчитывалось 15 офицеров и 1246 нижних чинов. В боях за Высокую гору, господствовавшую над внутренним рейдом Порт-Артура, моряки под командованием капитана 2-го ранга Л. П. Опацкого только убитыми потеряли 371 человека.

Моряки импровизировали с корабельным оружием. 120 орудий калибром от 75 до 152 мм были сняты и установлены на береговых батареях. 5 (18) сентября 1904 года лейтенант Н. Л. Подгурский по склону горы спустил на японские позиции шаровую мину, а затем приспособил для стрельбы по ним минный аппарат, снятый с корабельного катера. Аналогичным образом катерный минный аппарат использовали моряки под командованием лейтенанта А. В. Развозова.

В море на русских минах с августа по декабрь 1904-го погибли 4 корабля противника: крейсер, корабль береговой обороны, броненосная канонерская лодка и миноносец. Повреждения разной тяжести получили броненосец, крейсер и 3 миноносца.

После того как японские войска захватили все господствующие высоты и установили на них морские орудия, стрельба по русским кораблям в Порт-Артуре стала прицельной. От многочисленных подводных пробоин они затонули на малых глубинах, после сдачи крепости став для противника самыми ценными военными трофеями. Когда положение стало безнадежным, только броненосец «Севастополь» под командованием капитана 1-го ранга Н. О. фон Эссена, вышел из Порт-Артура и, выдержав последний бой с японскими кораблями, затонул на большой глубине, исключавшей его подъем.