Атака началась в 11 часов вечера и стала для русских неожиданностью. Впервые японские генералы отошли от своей традиционной тактики массированного артиллерийского налета с последующей атакой. Более двух батальонов пехоты, используя кромешную тьму и складки местности, приблизились к Китайской стенке на расстояние восьмидесяти — ста шагов и бросились в штыковую атаку, забрасывая обороняющихся бомбочками. На Китайской стенке в это время при свете фонарей трудились саперы. Прикрывавшая их рота стрелков готовилась к смене. Удар японцев был внезапен. Через несколько минут они смяли слабый заслон и бросились к Заредутной батарее и Большому Орлиному Гнезду, прорвавшись в тыл основной линии обороны. Положение сразу стало настолько угрожающим, что комендант форта № 3 приказал уничтожить мост, соединяющий форт с тылом, и приготовился к круговой обороне. Крепость ожила, осветилась ракетами, темноту прорезали лучи прожекторов. С фортов грянула крепостная артиллерия. Японцы немедленно ответили огнем осадных батарей. Все еще пользуясь неразберихой, они ворвались на Заредутную батарею, но оборонявшиеся быстро оправлялись от шока. Подошедшие из резерва моряки с канонерки «Гиляк» штыковой атакой выбили японцев с орудийных двориков.
Кондратенко, которого атака застала на Малом Орлином Гнезде, благодарил Бога за то, что не успел уехать в крепость по вызову Стесселя. В момент начавшейся перестрелки они обсуждали с генералом Белым возможность завтрашней связи с артиллеристами эскадры. Присутствие в критический момент на позициях двух генералов во многом определило исход последующего боя.
Немедленно в направлении прорыва и на его флангах все силы были приведены в полную боевую готовность. Рота моряков, посланная Кондратенко в прорыв, таяла на глазах. Роман Исидорович перебросил к Заредутной еще две роты из общего резерва и окончательно закрепился на батарее. Крепостная артиллерия начала отсекать подходившие колонны японцев. Стреляли пушки с фортов, батареи литера Б, Орлиного Гнезда и Заредутной. Генерал Белый, понимая опасность прорыва, приказал развернуть на фортах часть пушек во фланг и в тыл, чтобы сосредоточить огонь в нужном месте.
Японцы продолжали накапливаться в лощине между Большим Орлиным Гнездом и Заредутной батареей. Через час после прорыва на небольшом пятачке скопилось более десяти тысяч человек. Вот здесь-то и сказалось четкое руководство генерала Кондратенко, помноженное на героизм и отвагу русского солдата. Нащупанная прожекторами, японская пехота была накрыта массированным сосредоточенным огнем крепостной артиллерии. В атаку поднялись резервные роты, которые Кондратенко под прикрытием огня с фортов успел развернуть в боевые порядки. Удар оказался стремителен и силен. К половине первого ночи остатки неприятельских войск были не только отброшены от Китайской стенки, но и за свои исходные позиции. Отступающую японскую пехоту встретили огнем свои же резервы, приняв ее за контратаку русских. Паника была так велика, что и это не остановило бегущих японских солдат. Прорвав уже свою линию обороны, они еще долго бежали, пока не оказались в собственном глубоком тылу.
В час ночи Кондратенко направил с Ерофеевым в штаб крепости пакет с донесением, в котором писал: «Огнем батареи литера Б атакующие колонны были буквально сметены, блестящей контратакой моряков противник всюду отброшен от линии фортов в исходное положение. Для закрепления достигнутого успеха прошу выслать в мое распоряжение два батальона. Считаю, что город в безопасности…»
В штабе крепости были ошеломлены прорывом японцев. Стессель стал подумывать о сдаче Артура. На этом настаивал и Фок. Поэтому вначале Стессель не поверил донесению Кондратенко. И только когда пришло подтверждение от Белого, понял наконец, что ему в руки упала неожиданная победа.
В течение ночи Ичинохе пытался не раз организовать новое наступление, но японцы были так деморализованы, что все их атаки отбивались без особого труда.
11 августа генерал Ноги подписал приказ о прекращении штурма. Этим самым он расписался в своем поражении. За неделю боев он потерял более трети своей армии, так и не добившись существенного результата. Некоторые полки в осадной армии практически перестали существовать: так, в 7-м полку из 2500 человек в строю осталось чуть больше 200. В 36-м — 240 человек. Вся 6-я бригада, насчитывающая к началу боев свыше 5000 штыков, имела теперь в своем составе меньше 400 солдат и офицеров.
Общие потери японцев составили свыше 15 тысяч человек. Русских — около 3 тысяч. По сути дела, армия Ноги была разбита русскими войсками. Сами японцы полностью признавали свое поражение. Позднее в истории войны они запишут: «Несмотря на все жестокие атаки нашей третьей армии с 5 по 11 августа, мы не могли сломить искусно вооруженных батарей и защищавшего их до последней капли крови неприятеля. Потеряв 15 тысяч воинов, мы едва лишь могли завладеть укреплениями западного и восточного Панлушаня».