Вступив в должность, Вирен доложил царскому наместнику: «Всякая попытка прорыва во Владивосток обречена на неудачу». После этого главнокомандующий перестал требовать выхода остатков Тихоокеанской эскадры в море для прорыва к Владивостоку. Броненосные корабли, стоявшие во внутренней гавани на якоре, превратились в плавучие батареи, а их экипажи стали последним резервом осажденного порт-артурского гарнизона.
Второй штурм Порт-Артура начался 6 сентября. Японская артиллерия произвела массированный обстрел позиций Восточного и позднее Северного фронтов, главным образом Водопроводного и Кумирненского редутов, по которым сосредоточенный огонь вели 40 осадных и 84 других орудия. Артиллерийский огонь продолжался 6 часов. В районе Водопроводного редута упало до тысячи снарядов, превративших его в груду камней и исковерканных деревянных балок; были разбиты две противо-штурмовые пушки и пулемет, прервана телефонная связь, гарнизон понес значительные потери.
Тем временем до трех батальонов японской пехоты с 4 полевыми пушками и 24 пулеметами сосредоточилось в близлежащих оврагах для атаки на редут. Мощный огневой налет не позволил защитникам Водопроводного редута помешать подготовке вражеской атаки на ближайших подступах к нему.
В 18.00 вражеский артиллерийский огонь прекратился, и в атаку пошла пехота японцев, забрасывая обороняющихся ручными бомбочками. Штурмующих встретил интенсивный огонь остававшихся в строю после бомбардировки сотен солдат во главе с поручиком Длусским (большая часть сибирских стрелков из 11-й роты 26-го Восточно-Сибирского полка погибла при обстреле). Когда на Водопроводный редут подоспели подкрепления (4 стрелковые роты и рота пограничных стражников), среди его защитников в живых оставались всего 30 человек. Русские солдаты несколько раз поднимались в контратаки, чтобы отбросить японцев, которые упорно пытались обойти разрушенное укрепление с флангов.
Командир 9-й японской пехотной дивизии продолжал наращивать усилия штурмующих Водопроводный редут батальонов, вводя в бой все новые и новые резервы. К утру следующего дня положение последних защитников полевого укрепления стало отчаянным: иссякли запасы патронов и гранат, а на развалинах редутов оборонялись всего 11 измотанных солдат во главе с начальником пограничной стражи крепости подполковником П.Д. Бутусовым.
Кондратенко, видя, что дальнейшее удержание Водопроводного редута ведет лишь к большим людским потерям, в 5 часов утра приказал оставить его. По той же причине были покинуты Скалистый редут и траншеи между Скалистым и Водопроводным редутами. После этого штурмующий неприятель сосредоточил свои усилия на взятии соседнего Кумирненского редута. Его яростная бомбардировка продолжалась в течение двух часов, и к 7 часам утра укрепление превратилось в груду развалин. Из его гарнизона в живых осталось около 60 человек во главе с поручиками Дуниным и Окуневым.
Первую атаку японцев на Кумирненский редут отбили, но в ходе последующей около двух батальонов японской пехоты прорвались в наружный ров редута и буквально засыпали последних защитников укрепления ручными бомбочками. Кумирненский редут был захвачен штурмующими, и попытка выбить их оттуда успехом не увенчалась.
Водопроводный и Кумирненский редуты, как полевые укрепления, играли роль передовых в системе крепостной обороны. Охваченные противником с трех сторон и атакованные силами целой пехотной бригады при поддержке огня 128 орудий, они не могли быть удержаны без больших потерь. Поэтому Кондратенко не посчитал в данном случае их дальнейшее удержание необходимым, поскольку они выполнили свое предназначение еще в ходе первого штурма Порт-Артура. Взятие их обошлось японцам потерями более чем 1500 человек. Теперь усилия русского гарнизона сосредоточивались для борьбы на главном оборонительном поясе крепости.
Одновременно с боем за Водопроводный и Кумирненский редуты начался бой за горы Длинная и Высокая. Особенно жестокие схватки разгорелись у последней высоты. Гора Высокая несколько выдавалась из линии крепостных укреплений и была самой высокой в этой части окрестностей Порт-Артура. В свое время крепостное командование не оценило должным образом ее тактическое значение. К строительству полевых укреплений приступили здесь только в мае, и то после настойчивых требований генерала Кондратенко. Каменистый грунт сильно затруднял саперные работы.
В сентябре высоту опоясывали две линии окопов без бруствера с проволочными заграждениями. Обороняли гору три стрелковые роты сибиряков и рота моряков Квантунского экипажа с четырьмя пулеметами и семью орудиями, которые стояли на вершине Высокой на открытой позиции и выглядели хорошей мишенью для вражеских батарей. Редут на высоте выстроен не был.
Обстрел гор Длинной и Высокой вело 60 полевых, 30 тяжелых осадных орудий, 8 скорострельных пушек, поддержанных пятью дальнобойными морскими батареями, находившимися на Волчьих горах. Первая атака на них началась вечером 6 сентября. На второй день штурма пала высота Длинная. Когда около 16 часов 7 сентября на ее вершину ворвались японские пехотинцы, последние защитники горы — 46 моряков отступили в укрепления соседней Плоской горы. Захват этой высоты стал возможен во многом благодаря тому, что японцы, установив полевые пушки на высотах Седловая и Мертвая Голова, начали простреливать русские окопы продольным, прицельным огнем.
Между тем японская артиллерия сосредоточила свой огонь на горе Высокой. В ходе первого дня атакующие, попав под фланговый огонь русских, не смогли дойти даже до проволочных заграждений. Утром следующего дня они вновь пошли на приступ, но безуспешно. Тогда Ноги приказал сосредоточить на этой горе огонь всех близлежащих батарей, к которым присоединились японские канонерские лодки, подошедшие к Голубиной бухте. Но и новая массированная атака, в ходе которой вражеская пехота наступала сплошными цепями, была отбита.
Вновь начался артиллерийский обстрел Высокой, и гора в очередной раз скрылась в облаках дыма и пыли. Кондратенко прибыл на высоту, чтобы лично руководить здесь боем. Японцам все же удалось захватить первую линию русских окопов и укрепиться в них. Попытка их взойти на вершину была пресечена штыковым ударом русских. Столь же безуспешно закончились и другие попытки. Под вечер 9 сентября Ноги, лично руководивший штурмом, приказал сосредоточить в мертвом пространстве на склоне горы свой резерв силами около трех батальонов пехоты. Однако их сосредоточение было вовремя замечено защитниками Высокой.
Около 17 часов вечера взвод скорострельных пушек под командованием штабс-капитана Ясенского, замаскировав орудия под фургоны с сеном, не замеченный противником, выехал на открытую позицию и с дистанции около 4 километров внезапно открыл шквальный шрапнельный огонь по вражеским резервным батальонам, скучившимся на небольшом клочке мертвого пространства. В течение первых 5 минут русские артиллеристы выпустили 51 снаряд. Все они попали в скопление японской пехоты. Ее уничтожение довершил огонь соседних фортов и крепостных батарей.
Бой за гору Высокую закончился «выкуриванием» японцев, крепко засевших в захваченном большом блиндаже. Около часа ночи Кондратенко приказал лейтенанту Подгурскому попытаться выбить из блиндажа японцев с помощью пироксилиновых бомб. Офицер с двумя солдатами сумели незамеченными подползти к блиндажу и сбросить на его крышу несколько бомб. Оставшиеся в живых после взрывов вражеские пехотинцы бежали с горы.
Это событие стало последним в ходе второго штурма Порт-Артура осадной 3-й японской армией. Защитники крепости успешно отразили и этот вражеский приступ, потеряв около 1500 человек. Японцы ценой потерь в 7,5 тысячи человек захватили лишь Водопроводный и Кумирненский полевые редуты и гору Длинную. Вклиниться в линию крепостной обороны Порт-Артура Ноги не удалось и на сей раз, хотя для достижения этой цели он вновь не жалел жизней тысяч своих солдат.
Захватить гору Высокую тоже не удалось, хотя бои за нее отличались большим кровопролитием и штурмующие потеряли под этой высотой до 6 тысяч человек, в том числе командира 1-й бригады генерал-майора Ямамото. В трех японских пехотных полках, участвовавших в боях за гору Высокую, в строю остались всего 300 солдат. В японской литературе говорилось, что из 23 рот, участвовавших в штурме этой высоты, после боев можно было сформировать только две. Ее защитники потеряли 256 человек убитыми и 947 ранеными. Во 2-й роте 5-го Восточно-Сибирского стрелкового полка на третий день штурма в строю остались 37 бойцов, в 4-й роте — 19, в 1-й роте 28-го полка — 23 человека, в 7-й роте 27-го полка выбыло больше половины солдат.
