После взятия японцами ключевого пункта русской обороны горы Высокая и уничтожения огнем их батарей стоявшей на внутреннем рейде эскадры комендант Квантунского укрепленного района генерал А. М. Стессель 20 декабря 1904 г. подписал с представителями японского командования соглашение о капитуляции крепости и сдаче в плен гарнизона Порт-Артура.
На Маньчжурском фронте новое и самое крупное за всю войну столкновение русской и японской армий произошло под Мукденом 6–25 февраля 1905 г. Русская армия, потерпев тяжелое поражение, отступила к городу Телину. Потери русских войск в этом сражении достигли 89 тыс. человек убитыми, ранеными и пленными. Японцы потеряли убитыми и ранеными 71 тыс. человек.
Большие потери в этом сражении вынудили правительство Японии согласиться на начало мирных переговоров с Россией при посредничестве президента США Т. Рузвельта. Другим следствием Мукденского поражения стала отставка А. Н. Куропаткина с поста главнокомандующего вооруженными силами на Дальнем Востоке. Его преемником стал генерал Н. П. Линевич. Новый главнокомандующий отказался от активных действий, занимаясь лишь инженерным обеспечением Сыпингайских позиций в 175 км севернее Мукдена. Русская армия оставалась на них до конца войны.
На море последние надежды русского командования погибли после разгрома в Цусимском проливе 14–15 мая 1905 г. японским флотом адмирала X. Того русской эскадры вице-адмирала 3. П. Рожественского, направленной из Балтийского моря на Тихий океан.
Портсмутский мирный договор между Россией и Японией был подписан 23 августа 1905 г. в США (на борту президентской яхты «Мэйфлауэр»). Россия признала Корею сферой японского влияния и уступила Японии южную часть острова Сахалин (южнее 50-й параллели), арендные права на свои владения в Китае (крепость Порт-Артур, город-порт Дальний), южную ветку Китайско-Восточной железной дороги от Порт-Артура до Чанчуня (Куаньчэнзы), а также все каменноугольные копи, принадлежащие этой дороге или разрабатываемые для ее снабжения.
В ходе военных действий Россия потеряла ок 270 тыс. человек, в том числе ок. 50 тыс. человек убитыми, Япония – также ок 270 тыс. человек, но убитыми – ок. 86 тыс. человек Неудачная война способствовала дестабилизации обстановки в России и началу 1-й русской революции.