第一轮炮击后，整个大孤山完全被浓烟覆盖久久未能散去，以至空中侦察机、炮兵阵地后方的校射汽球根本无法辨明炮击效果，只能按照即定计划进行延伸射击，以期使炮弹逐步接近预定目标，并最终将其击毁。国防军发射的炮弹从不同方向一群一群像卷扬机喷洒谷粒似的发射出去，在数十门攻城炮炮击中，大孤山像发生地震一般地动山摇。根本不知道炮弹打到何方的炮兵，只是按照长官们给出的诸元闷头猛装猛打。
自战争爆发以来空军每天都会派出十余架侦察机，对旅顺进行不间断侦察，旅顺向国防军敞开了自己的全部秘密，这才有了三天前，在空军第一轮轰炸中，就用燃烧弹彻底摧毁城内三十五处仓库的记录。而今天的炮击，也是根据侦察照片，计算诸元后进行的准确炮击。
躲藏在坚固永备工事内的日本官兵，并不安全。炮弹在他们头顶上爆炸，冷淬的硬钢质弹头击穿永备工事厚达2米的覆土层，瞬间贯穿其下的混凝土顶板，弹头随即穿入工事下的山体，延时引信瞬间击发，随着数十公斤炸药爆炸，坚固无比的钢混工事被掀上天空，坚固的入山坑道发生阻塞，爆炸声和尖叫声、喊声混杂在一起，仿佛世界末日来临。大孤山大多数工事群在剧烈爆炸中被毁灭。
在大孤河畔第五师十七团阵地上，所有人的眼睛，仰望两百多米外称不上巍峨但能用险要一词形容的大孤山，猫在战壕内的官兵，端着武器作冲锋的姿态，背负电臺的通信兵，死死盯着身旁的长官。此时早已潜伏到山下的工兵正在山下抛射爆破索排雷、同时炸除近铁丝网，不一会炸出了数条狭长的通道。
待炮火缓慢向山顶延伸，刺耳的哨声在战壕内响起，突击一营三个突击连就一齐冲出去，猫腰分三路紧跟在炮火后面向大孤山运动，这是典型的炮火跟进战术。在第一突击群冲出之后，第二突击群随即跟进，突击部队在炮火掩护下接近大孤山底部堑壕。这时底部堑壕内残存的日军发现突击的国防军，顿时用机关枪、步枪密集扫射，正在冲锋的部队中不时有战士跌倒在地，再也没能站起来。
一名中士带着机枪班冲在最前面，在日军反击瞬间，机枪手扑倒在石地上架起机枪压制日军火力。中士则紧紧伏在一块大石头后面，和周围战士一起用半自动步枪、冲锋枪与日军对射。右翼突击班绕到山下堑壕右边的一个缺口里占据了一个给炮火摧毁的日军地堡，逼近正在抵抗的日军侧翼，向正拼命反击的残余日军展开攻击，日军火力又立即掉过身来，集中扫射向地堡突进突击部队。
原本与日军对射的中士在日军火力点转移后，冲上大孤山山下堑壕的边沿，身后跟着十几名战士，有十二、三个端着步枪的日本兵从破地堡里跳出来，挺着明晃晃的刺刀，扑向国防军占领的阵。刚到堑壕处的中士用冲锋枪扫射试图展开白刃战的日军，五年式空腔弹的威力在此时得到充分发挥，即便是子弹击中日军腹腔，也会拖出肠子，将其击倒在地，就在中士接连打出数枪，弹膛刚空的瞬间，一枚从后方甩来的手榴弹，在战壕内爆炸，随后跟上的战士立即向堑壕内倾倒弹雨。
而另一个突击排，则乘着这里打得激烈的时机，一鼓作气迂回到山下堑壕后方，朝着山腰处的小山头进军，展开狂风暴雨似的攻击。 “冲上去！”随着长官一声吶喊，和随后响起的哨声，所有战士一个个狂奔野跑，冒着弹雨，登上小山头。在大孤山山腰狭窄平臺上，展开激烈对拚，子弹在人群中横飞，刺刀在阳光照射下，光影晃动。
指挥战斗的排长，在悬崖边上抓住一个小个日本军，两人手里的枪都在先前撕斗中摔掉到地上，根本没时间再拾起来，占着力气和个高优势，猛得把日本兵压在身下，膝盖压跪在他肚子上，手抓住他一只膀子，另一只手却又给日本兵牢牢反扣住。军官只能用他的头碰击日本兵的头，用自己的膝盖拚命挤压他的肚子，死命挣扎的日本兵两只脚不住摔掼，踢打着他的屁股，企图翻转过来再把身上该死的支那军官扑倒杀死。
年青准尉想喊战友帮忙，谁知越是气急越喊不出声。感觉双手越来越没有力气，猛得张开嘴巴，朝身下的日本兵脖子撕咬下去，用力撕咬，只觉得嘴间满是腥味，不一会原本拼命挣扎的日本兵便停止挣扎，脖颈动脉血管被咬断的日本兵开始抽搐。一个日本兵端着刺刀从崖边扑过来，被喷了满脸血的准尉爬起来，端刺刀的日本兵被嘴中仍咬着血肉如地狱食人恶魔般的支那军官吓到了，一楞神，准尉从腰间抽出了手枪，冲其连打数发，飞起一脚，将被击倒的日本兵踢滚到悬崖下。
突然间远处传来轰隆轰隆的巨响，鹰巢山炮臺的小泽纯二刚开始还以为是天边的巨雷，本能眺向天边，但却看不到半块黑云，随后是刺耳的爆炸声，空中没有一架支那轰炸机。霎时，一个直觉的念头闪入了他的脑海。 “支那军炮击！快！快！上炮臺！”几天来习惯支那军轰炸而躲入堡垒中的小泽纯二猛然跳起来大声呼叫，对准鹰巢山炮臺280毫米要塞炮炮位跑过去。
一冲上炮位，小泽纯二就看到西北方大小孤山方向以及水营堡方向，都被炮弹打起的尘烟所笼罩，尘烟像开水锅里升起的水蒸气般迅速漫起，几分钟前还晴朗的天空蒙在阴云中。即便大小孤山距离这达三公里，水营堡距离这里同样有两公里之遥，但空中仍然不时有噬人的碎片横冲直撞，小泽纯二用最低的姿势、最快的速度，冲到混凝土拱顶保护的炮位上，加入了战斗的行列。
此时推弹手推着弹车，将一颗280毫米炮弹推到大炮旁边，弹药手立即用吊索扣住炮弹，将其装入炮膛，并瞄准目标，只待命令下达，立即给支那军以致命打击，所有人眼睛都朝站在电话旁的桥川大尉望去。小泽纯二听着不断传来的爆炸声焦急的看着炮臺内的电话员。
头顶上的混凝土为炮臺提供良好的防护，这是中日宣战后工兵专家上原永作的建议，为防止轰炸而紧急修建2米的混凝土顶，其上有近三米厚的覆土层。由于时间紧张、水泥不足等多方面原因，只有几十处炮臺进行了这种紧急改造，为了应急更多的炮臺只能按上原勇作将军的建议，修建土木工事。尽管如此，在三天密集轰炸中，日军仅损失了不到10个要塞炮位，在所有人看来这就是一个奇迹，或许也有俄军重修旅顺要塞时广泛采用凹型堡的原因，凹型堡保护了绝大多数炮臺。
“铃……”电话铃声让正奋力推弹车的小泽纯二心头一颤。 “嗨！嗨！”一放下电话，桥川大佐立即吼起来。 “目标大孤山！方位……”距离大孤山三公里之遥，鹰巢山炮臺打出日军第一发炮弹，目标是大孤山山腰处正在向山顶和山后跃进的国防军第五师突击部队。
落在山腰处280毫米炮弹倾刻夺去数名国防军战士的生命，随即更加密集的炮弹落在山腰和山下，硝烟中炸碎的肢体横飞。突如其来的炮火，让突击部队一顿，但日军反击炮火并没能阻遏突击部队的进攻。此时第一突击群左翼以及正面已经到达距离大孤山顶不及百米的位置，而原本撤到山后避弹所的日军，迎着落在身边的炮弹返回堑壕和残存工事内，用机枪步枪阻止正在进攻的国防军部队。
山顶凹型堡内，浑身被硝烟染成黑色的军士和几个伤兵凝视越来越近国防军，军士的脸上露出狞笑，凹型堡内两枚重型水雷赫然摆放在钢轨上。十九年前，俄军在防御战时就曾大量投掷各型水雷，给进攻日军以重创，不知道多少次攻击在水雷陆用下受挫。这一次日军却使用了由上原勇作设计的投放轨，投掷重达800公斤装药超过600公斤的重型水雷，随着军士一挥手，几名伤兵便用力扳动斜置钢轨上的卡栓，一枚水雷随即顺着轨道滑下，随后另一枚重型水雷也跟滑下去。
冒着弹雨仰攻的突击部队官兵突然听到头顶上传来金属撞击声，两个黑糊糊的大玩意从山头滚下来。 “轰！轰！”接连两次剧烈爆炸山摇地动。硝烟中一名腰下被弹片削去的军官，躺在血泊中，咬着口中军哨，用劲最后的力气，吹出一声长长哨音，这是 “攻击”的哨声。当军官隐约一些身影朝山顶挺进时，眼中露出欣慰，生硬刺耳的哨声在山腰处响了十余秒，慢慢哨声越来越弱，直至彻底无声，至死仍咬着钢哨的军官眼睛死死盯着大孤山山顶。
16日18：38，一面五色国旗插上大孤山顶， 17日凌晨3时，经过数小时激战，国防军收覆大小孤山，凌晨6时日军在鹰巢山炮臺掩护下，以第五旅团向大小孤山发起反冲击，至清晨被击退，随即放弃夺回两山企图，国防军其它部队同时拆除旅顺要塞西线的数处前沿要塞。大小孤山的收覆，使国防军获得进攻旅顺要塞的良好跳板，得以在两山设立观察哨，限制要塞内日军的行动，旅顺要塞总攻的时机已经成熟。