Руководство обороной собственно крепости должно было осуществляться ее комендантом генерал-майором К.Н. Смирновым. Но фактически старшим воинским начальником в крепости оказался генерал-лейтенант A.M. Стессель, хотя Квантунского укрепленного района, начальником которого он был назначен в марте, к июлю уже не существовало как такового. Еще в июне Стессель получил от командующего Маньчжурской армией генерала от инфантерии А.Н. Куропаткина приказ сдать командование коменданту крепости, а самому отправиться за новым назначением в Маньчжурию. Однако Стессель не выполнил этого указания, а случайно попавшую к нему копию приказа Куропаткина, адресованную генерал-майору Смирнову, утаил.

Среди командного состава героических защитников Порт-Артура было немало незаурядных людей, достойных военачальников. Поистине выдающуюся роль в укреплении и организации обороны крепости сыграл начальник сухопутной обороны генерал-майор Р.И. Кондратенко. Под его умелым руководством возводились новые укрепления и совершенствовались старые, отрабатывалась система ведения огня.

Общая протяженность оборонительной линии крепости Порт-Артур к началу осады составила 29 километров. Из них 9 километров занимал Приморский фронт с 22 долговременными батареями. В их задачу входила борьба с японским Соединенным флотом и прикрытие стоявшей во внутренней гавани Тихоокеанской эскадры, крепости и города от бомбардировок со стороны моря.

Главным же являлся сухопутный фронт, который подвергался штурмовым усилиям японской осадной 3-й армии. К началу осады он состоял из пяти долговременных фортов (№ I, II, III, IV и V), трех укреплений (№ 3, 4 и 5) и пяти отдельных литерных батарей (литеры «А», «Б», «В», «Г» и «Д»).

Впереди линии фортов находились передовые укрепления (окопы и полевые редуты), располагавшиеся на высотах Дагушань, Сяогушань, Панлуншань, Высокая, Длинная и Угловая, которые господствовали над близлежащей местностью. Центр сухопутной обороны «географически» располагался близ деревни Шуйшин, который прикрывали полевые редуты Кумирненский, Водопроводный и Скалистый.

Сухопутный фронт крепостной обороны организационно делился на три фронта. Восточным, протяженностью 8 км, командовал генерал-майор В.Н. Горбатовский. Этот фронт состоял из трех долговременных фортов, одного укрепления и двух литерных батарей. В его тылу находилась так называемая Китайская стенка, или Центральная ограда. Для ликвидации мертвых пространств перед и между фортами здесь были устроены полевые укрепления и окопы.

Северный фронт имел протяженность в 3,5 км. Он состоял из одного форта, двух укреплений и двух литерных батарей. Фронтом командовал полковник В.Г. Семенов. Восточные крепостные укрепления располагались на труднодоступных высотах, с которых хорошо просматривалась лежащая впереди местность.

Наиболее слабым звеном сухопутной обороны Порт-Артура оказался Западный фронт, которым командовал полковник В.А. Ирман. Он имел протяженность 6,7 км и тянулся от горы Голубиной до горы Белый Волк. Здесь имелись только одно укрепление и одна литерная батарея. Начатое сооружение форта № VI к началу осады не было завершено. Линию Восточного фронта в основном прикрывали лишь полевые укрепления.

На вооружении Порт-Артурской крепости к началу ее осады находилось 646 орудий и 62 пулемета. В долговременных крепостных укреплениях и на полевых позициях было установлено 514 орудий различных калибров (в том числе 283 крепостных, 168 морских и 63 полевых орудия) и 47 пулеметов. На приморском фронте обороны располагалось 123 орудия и 5 пулеметов. Имелся небольшой резерв — 9 легких орудий и 10 пулеметов.

При обороне Порт-Артура появилось новое оружие — минометы. Идею миномета разработал и осуществил на деле мичман Власьев. Для стрельбы шестовыми минами он приспособил 47-миллиметровое скорострельное орудие, бывшее на вооружении кораблей. Стрельба из таких минометов особенно досаждала японским саперам, которые траншеями преимущественно по ночам подбирались поближе к линии крепостных укреплений.

Незаконченность строительства крепости отразилась и на ее артиллерийском оснащении. Прежде всего было недостаточно тяжелых орудий. Из тех, что имелись, большинство оказалось устаревших конструкций, имевших малую дальность стрельбы. Из 124 тяжелых орудий лишь 39 могли поражать дальнобойную осадную артиллерию японцев. Артиллерийские средства сухопутного фронта на три четверти состояли из легких орудий, которые действовали эффективно при отражении вражеских штурмов, но были почти непригодны для борьбы с неприятельской осадной артиллерией больших калибров.

При наличии большого числа артиллерийских орудий осажденная крепость должна была рано или поздно ощутить снарядный голод. Запасов боеприпасов в Порт-Артуре оказалось недостаточно. К началу осады в крепости хранилось 274 558 артиллерийских гранат, шрапнелей и бомб. В среднем на одно орудие приходилось всего 425 боевых зарядов. Трата же их в условиях длительной обороны, особенно при отражении вражеских штурмов, была огромной.

К началу осады в Порт-Артуре оказалось и недостаточно запасов провианта: муки в крепости было на 168 дней, чумизы, пшена и кукурузы — на 127, сахара — на 169, сухарей — на 27, соли — на 200, мяса — на 20, овса, ячменя и бобов — на 155, сухих овощей — на 173 дня. Уже в июле вместо мяса войскам стали выдавать конину. Не было принято своевременных мер по организации прибрежной рыбной ловли и посадки овощей, что могло существенно улучшить осадный рацион. Из-за малого числа колодцев возникли большие трудности со снабжением передовой линии сухопутной обороны питьевой водой.

Слабым местом в системе крепостной обороны оказалась связь: отсутствовала телеграфная связь штаба Порт-Артура с фортами, артиллерийские телефонные линии были включены в общую сеть. Беспроволочный телеграф (искровые станции, или, иначе, радиосвязь) бездействовал. Аэростатов, для того чтобы наладить связь осажденной крепости с русской Маньчжурской армией, не было. Морская крепость к тому же имела всего шестимесячный запас угля для кораблей эскадры и собственных бытовых нужд.

При обороне Порт-Артура была еще одна, и немалая, трудность — японский шпионаж. Особую опасность он приобрел после того, как крепость осадила японская армия. Здесь наиболее важные секретные документы добывали те вражеские шпионы, которые находились на службе у российских чиновников, в семьях старших офицеров в качестве… домашней прислуги и домашних парикмахеров.