В 8 ч 13 ноября японская артиллерия открыла сосредоточенный огонь по укреплениям северо-восточного фронта. Особенно сильному обстрелу были вновь подвергнуты форты № II и № III, батареи литера Б, Заредутная, Курганная и укрепление № 3. Артиллерия крепости не замедлила нанести ответный огневой удар. Огонь русских батарей был настолько сильным, что, как свидетельствует англичанин Бартлетт, «невозможно было приблизиться к японским батареям; русские снаряды разных калибров рвались сотнями, выпахивая поверхность, разбрасывая землю… подбивая то или другое орудие» [53. Ч. 2. С. 432]. После четырёхчасовой артиллерийской дуэли японская пехота двинулась на штурм. Особенно ожесточённые бои развернулись на батарее литера Б, форту № II и укреплении № 3.
У батареи литера Б в результате стремительного броска японцам удалось достичь нижней траншеи, но здесь по ним был открыт сильный огонь из противоштурмовых орудий батареи, укрепления № 2 и с Китайской стенки, а также ружейный огонь гарнизона. Только немногим солдатам противника удалось отойти в свои параллели. Вскоре японская пехота вновь перешла в атаку, и ей удалось захватить часть траншеи, где вспыхнула кровопролитная схватка. Русские солдаты дрались прикладами, камнями, кирками и кольями. Когда силы защитников батареи были на исходе, из резерва подошли роты морского десанта, которые во главе с капитаном 2 ранга Бахметьевым ринулись в контратаку. В начале контратаки был убит Бахметьев, но моряки нанесли стремительный удар и отбросили противника в исходное положение. Вечером противник возобновил наступление под прикрытием огня пулемётов и лёгких орудий, но контратака русских была настолько стремительна, что японцы бросили два пулемёта и бежали в свою параллель.
У форта № II штурмующие колонны преодолели ров и достигли бруствера. Здесь их первая шеренга была встречена в упор ружейным огнём и картечью противоштурмовых орудий под командой штабс-капитана Конокотина и полностью уничтожена. Последующие три попытки овладеть бруствером также не имели успеха. После отражения атак защитники форта перешли в контратаку и отбросили японцев в ров, куда была спущена шаровая мина. Взрывом мины многие солдаты противника были убиты, остальные в страхе бежали в свою параллель.
Успешно были отражены атаки противника также гарнизонами форта № III и Куропаткинского люнета. К вечеру 13 ноября для японского командования стало очевидно, что и четвёртый штурм Порт-Артура провалился. Тогда была предпринята ещё одна отчаянная попытка прорваться внутрь крепости через Курганную батарею.
Под покровом темноты отряд генерала Накамуры (3 тыс. человек), сформированный из добровольцев различных частей, незаметно подошёл к Курганной батарее, вооружённой шестнадцатью орудиями. Батарею прикрывал гарнизон, состоявший из пяти рот неполного состава общей численностью около 600 человек. Внезапно отряд был освещён прожектором Кладбищенской батареи и накрыт сосредоточенным огнём орудий форта № IV, Перепелиной, Зубчатой и Кладбищенской батарей.
Несмотря на потери от огня артиллерии крепости, японцы стремительно ворвались на Курганную батарею, артиллеристы которой, поднятые по сигналу тревоги, ещё не успели занять места у орудий. Смертельно раненный в рукопашной схватке дежурный канонир одного из орудий, падая, успел дотянуться до шнура и произвести по противнику выстрел картечью в упор. Почти одновременно по японцам ударили картечью и другие орудия батареи. В рядах противника произошло замешательство. В этот момент к орудиям подоспели остальные артиллеристы во главе с командиром батареи капитаном Васильевым. Они забросали атаковавших ручными гранатами, а затем штыковым ударом отбросили их с огневых позиций. Одновременно перешли в контратаку стрелковые роты гарнизона и начали теснить врага на флангах. Но к противнику непрерывно подходили резервы, и ему снова удалось ворваться на батарею. Положение её защитников становилось критическим: сильный бой шёл опять у самых орудий. В этот тяжёлый момент на помощь батарейцам подошли из резерва три роты морского десанта под командой лейтенанта Мысникова. Они стремительно контратаковали отборные подразделения японцев и в рукопашной схватке отбросили их с Курганной высоты. Раненный в этом бою генерал Накамура приказал отвести остатки отряда в свои траншеи. Попытка противника прорваться в Порт-Артур через Курганную батарею также провалилась. Всего за день штурма японцы потеряли около 4,5 тыс. солдат и офицеров.