早在8月1日正式向中國宣戰前，日本大本營就對戰爭的進程做出了各種設想，並據此制定了「作戰大方針」。方針的要點就是整個作戰分兩個階段進行。第一階段是派陸軍進入朝鮮牽制清軍，同時出動聯合艦隊尋求與中國北洋艦隊進行主力決戰，奪取黃海及渤海制海權。第二階段作戰視第一階段之海戰結果而定，又分為三種方案。
第一，如海戰勝利奪得制海權，即運輸陸軍在渤海灣登陸，於直隸平原與清軍進行主力決戰。
第二，海戰結果雖不能奪取制海權，但也使中國艦隊不能駛進日本近海時，派陸軍前進驅逐在朝鮮的清軍，扶植朝鮮「獨立」。
第三，若海戰失敗，制海權為中國海軍所奪取，則加強在朝鮮的防守，擊退大清陸軍的進攻。
從當時的情況來看，大東溝海戰雖然日軍佔了上風，可北洋水師主力尚在，實質上勝負尚未明朗，日軍應該採用的是第二種方案。但北洋艦隊的龜縮不出，給了日軍實施第一種方案的有利條件。
平壤戰役之後，山縣有朋率領日軍第一軍經過短暫休整，9月底就開始向著鴨綠江邊的義州進發。到10月中旬，日軍在義州集結完畢，對面就是中國的九連城。
當時部署在鴨綠江北岸的清軍約28000人。清朝任命已經74歲的「白髮將軍」宋慶為諸軍總統，節制各軍。可惜的是，大清國當時的軍隊體制仍停留在30年前打太平軍和捻軍的水平上，參戰各軍互不統屬各自為政。宋慶雖負節制諸軍之名，各路清軍實則並不服從調度。平壤、大東溝相繼戰敗，導致各軍士氣不振，將領多無抗敵決心。28000人看著不少，但是鴨綠江也不算短，胡椒面一撒，就覺著哪裡都是漏洞，似乎哪裡都守不住。
日軍進攻部隊第一軍，包括桂太郎中將的第三師團和野津道貫中將的第五師團，共計超過30000人，雙方兵力不相上下。但是日軍接連取勝，士氣正旺。作為進攻一方，日軍可以集中兵力，形成拳頭在某一點上形成突破之後，迅速展開。站在鴨綠江邊的山縣有朋躊躇滿志，彷彿看到了300年前豐臣秀吉那落寞的背影，他將要完成當年豐臣秀吉都無法完成的「偉業」。想到此，山縣有朋在馬背上揚鞭賦詩：「對峙兩軍今若何，戰聲恰似迅雷過。奉天城外三更雪，百萬精兵渡大河。」也真能吹，三萬人就敢冒充百萬。
10月24日，日軍先頭部隊於九連城上游的安平河口泅水渡江成功，首次踏上了中國的國土。當夜，日軍又在虎山附近鴨綠江中流架起浮橋，清軍竟毫未覺察。10月25日晨6時，越過浮橋的日軍向虎山清軍陣地發起進攻。清軍守將馬金敘、聶士成率部頑強抵抗，終因勢單力孤遭受重大傷亡後撤出陣地，日軍佔領虎山。其他各部清軍聽到虎山失陷之後，紛紛不戰而逃。
10月26日，日第一軍攻打九連城，守軍主動獻出城池。當地一些居民居然還拿著豬、雞、糧食等物去犒勞慰問日軍，有些人主動提出為日軍效力，大清之民心渙散，由此可見一斑。隨後日軍不費一槍一彈佔領安東縣。僅僅三天，清朝近三萬重兵駐守的鴨綠江防線全線崩潰。
這邊山縣有朋志得意滿，那邊日本國內明治天皇正在親自為新組建的第二軍送行。第二軍軍長，就是前面「薩英戰爭」出過風頭的猛人大山岩。在日本軍界一向有「陸之大山，海之東鄉」之稱。當時的乃木希典還僅僅是大山手下一個小小的少將旅團長。從天皇手中接過軍刀，乃木希典激動得眼淚嘩嘩直流，拿盆接都接不住。乃木當即賦詩一首：「肥馬大刀無所酬，皇恩空沿幾春秋。斗瓢傾盡醉余夢，踏破支那四百州。」
如果說山縣有朋的第一軍是渡江作戰的話，那大山岩的第二軍就是典型的登陸作戰。10月24日，就在第一軍向鴨綠江進攻的同時，第二軍24000餘人在日本聯合艦隊的掩護下於遼東半島的花園口開始登陸。為確保登陸安全，伊東祐亨還派出航速最快的「秋津洲」和「浪速」分別駛往威海衛和旅順口，監視北洋艦隊的動向。但可悲的是，主力尚存的北洋艦隊躲在旅順軍港內紋絲未動。
日軍在花園口的登陸行動，前前後後整整持續了14天，清軍竟沒有一兵一卒前來打擾，登陸日軍猶似在自家門口散步一般，這也創造了大規模登陸作戰史上的一大奇蹟。在日本軍艦附近，甚至還有乞丐前來討飯，弄得日本人哭笑不得，也算上戰爭中的奇觀了。
日軍登陸如此輕鬆的原因有四：一是清兵實行的是重點防禦，這裡不是重點；二是大部分兵力用於蹲坑據守，根本沒有機動部隊；三是情報不靈，反應遲鈍；四是即使知道了也無兵可調，能戰鬥的兵都調到鴨綠江邊防守去了。真不知道被美國稱為世界第三陸軍的那百萬人馬都幹什麼去了。
11月1日，輕鬆登陸並從容編隊的日軍殺向金州。11月6日，日軍擊潰清軍連順、徐邦道等部進佔金州。
11月7日，日軍分三路向大連灣進攻。大連守將趙懷業是李鴻章的鐵杆親信，人送外號「趙不打」。在日本進攻之前，趙懷業正在忙著把貪污的大量軍糧、軍服運到煙台去賣，至於那些槍炮、彈藥，估計買家不好找，就交給日本人算了。被日本人繳獲的武器就有炮129門，步槍620多支，其他物資不計其數。倉皇逃走的趙懷業甚至連海中水雷的分布圖都大方地留給了日本人，使得聯合艦隊輕而易舉地清除了附近海域的水雷。日軍不戰而得大連灣，前面就是北洋艦隊停泊的軍港旅順口。
也就是11月7日大連失守這一天，北京城內卻是另外另一番歡樂景象。慈禧老太六十大壽慶典如期進行。宮內唱戲三天，所有機關單位停止辦公。估計趙懷業也是生氣了，你們都不辦公去看戲，憑什麼要老子在前邊撅屁股打仗？
大連灣失守，旅順危急。同樣在11月7日這一天，李鴻章電令丁汝昌速速將北洋艦隊殘餘艦隻撤至安全地帶威海衛。
旅順口位於遼東半島南端，背山面水，港闊水深。港內建有船塢、電報局等諸多軍事設施，這裡是清廷經營十多年的北洋海軍三大重要基地之一。黃金山、老虎尾雄峙口門，築有炮台12座，炮70餘門。在旅順側後依山憑險築有炮台17座，炮近80門。「鐵打的旅順、紙糊的劉公」由此得名。但是清廷判斷鴨綠江是日軍的主攻方向，原旅順守軍大部分被調往鴨綠江防線，接防的多為新募之兵，守軍各部互不統屬，這就給了日軍以可乘之機。
日軍在大連灣休整10天後，開始向旅順進逼。日軍原本認為進攻旅順必是一場血戰，事先已經組織了1500人的敢死隊。18日，日軍前鋒進軍土城子，徐邦道的拱衛軍頑強抗擊，給日軍造成一定傷亡，但終因力單勢孤而落敗。次日，總帥道員龔照玙竟置諸軍於不顧，乘魚雷艇獨自逃往煙台。19日，黃仕林、趙懷業、衛汝成三統領也先後潛逃。11月21日，日軍向旅順口發起總攻。僅僅一天，號稱「遠東第一要塞」的旅順口陷落。
佔領旅順口之後的日軍獸性大發。第一師團野獸師團長山地元知中將下令屠城，製造了慘絕人寰的「旅順大屠殺」。大屠殺持續了整整四天，整個旅順屍橫遍野，全城3萬民眾只留下負責掩埋屍體的36人。這些人被日軍在帽子上貼上「勿殺此人」的標記才得以倖免。
「旅順大屠殺」再次讓世界輿論大嘩。伊藤首相和陸奧外相再次緊急展開「沉靜化」外交工作，避免事件在歐美諸國進一步擴大。政府嚴厲要求國內新聞媒體在報道中迴避血淋淋的虐殺情節，還規定了就此事件對外統一的答辯要領。11月26日，第二軍下達「儘快打掃戰場，迅速處理清國人屍體」的命令。在清廷軟弱外交的背景下，日本一系列善後工作取得了成效，西方世界的譴責戰沒有持續下去，國際社會似乎很快淡忘了這個血淋淋的歷史事件。
日軍當然不會忘了大肆掠奪，旅順幾乎被夷為平地。旅順港大清剛剛購自歐洲的4000噸優質鐵軌也被日軍搶走，原封不動地鋪設在東京的鐵路上。
北路日軍第一軍在佔領鴨綠江沿岸後，兵分兩路直取奉天。東路進攻日軍遭到清軍聶士成部的頑強阻擊，在摩天嶺兩軍陷入僵持，往來拉鋸達兩個月之久。聶士成不愧為大清為數不多的悍將，率軍在局部進行反攻並收復連山關，得到清廷明令嘉獎。東路日軍轉為守勢。
12月初，第三師團在桂太郎中將率領下從安東出發向前挺近。13日，遼東重鎮海城陷落。眼看李鴻章的淮軍獨力難支，湖南巡撫吳大瀓主動請纓提請率湘軍北上拒敵。兩江總督劉坤一被任命為欽差大臣督辦東征軍務，授以指揮關內外軍事的全權，吳大瀓和宋慶被任命為幫辦，以期挽回頹勢。
奉天鎖鑰在遼陽，遼陽鎖鑰在海城。1895年1月至3月，清軍組織實施了五次反攻海城之戰。從1月起，清政府調集的黑龍江將軍依克唐阿、吉林將軍長順陸續率兵趕到，會同宋慶軍，對海城守敵形成三面包圍之勢。
1月17日，清軍兵分兩路反攻海城。