Гарнизон крепости к началу осады насчитывал 41 780 человек нижних чинов (рядовых и унтер-офицеров), 665 офицеров, 256 военных чиновников и врачей и состоял из 9 восточносибирских стрелковых полков, 3 запасных пехотных батальонов, 2 рот пешей пограничной стражи, Квантунского флотского экипажа, сводной команды 3-й Восточно-Сибирской стрелковой дивизии, сотни забайкальских казаков Верхнеудинского полка и других отдельных рот и команд. Имелось также 13 добровольческих дружин горожан общей численностью в две с половиной тысячи ополченцев.
Всего пехоты было 29 960 нижних чинов и 402 офицера. В крепостной артиллерии и в отдельных артиллерийских бригадах, дивизионах и батареях числилось 6149 нижних чинов и 132 офицера, в инженерных войсках — 1114 солдат и 24 офицера. И, наконец, в штабах, различных крепостных службах и управлениях насчитывалось еще 4101 нижний чин и 103 офицера.
В Порт-Артуре базировалась Тихоокеанская эскадра в составе 6 эскадренных броненосцев, 5 крейсеров, 4 канонерских лодок, 2 минных крейсеров (заградителей) и 19 эскадренных миноносцев. Общая численность корабельных экипажей составляла около 12 тысяч человек. В случае крайней необходимости какую-то часть военных моряков (около 8 тысяч человек) можно было использовать на сухопутном фронте.
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.