На Сахалин под видом промысловиков, писарей в конторах, священников, некоторые из которых были ни больше, ни меньше, как кадровыми офицерами императорской армии, стали прибывать японские разведчики. Их целью был сбор информации, в том числе и через живших там японцев, и обработка местного айнского населения. Айнов предполагалось использовать в качестве помощников японских войск в случае начала боевых операций на острове. Одним из методов такой обработки было приобщение аборигенов к японскому языку. Язык, как орудие экспансионистской политики, японцы использовали весьма эффективно. Летом 1902 года, за полтора года до войны, на Сахалине находился в ссылке известный исследователь айнов Б.О. Пилсудский. Его крайне удивило «обилие обучающихся японской грамоте» айнов и то, как в поселке Маока (ныне город Холмск) японские рабочие и писари с соседних промыслов специально ходили по айнским домам и обучали местных жителей японскому языку.

Пилсудский отмечал, что айнское население на Сахалине находилось больше под японским, нежели под русским влиянием. В то же время, когда началась русско-японская война, айны, находившиеся под негласным японским контролем, хотя и были российскими подданными, просто боялись изучать русский язык потому, что это, как сообщал Пилсудский, могло вызвать неудовольствие «будущих новых владетелей острова».

6 февраля 1904 года Япония прервала дипломатические отношения с Россией. В ночь с 8 на 9 февраля десять японских эсминцев неожиданно атаковали русские корабли на внешнем рейде Порт-Артура. Японскими торпедами были поражены два русских броненосца и один крейсер. В тот же день японцы напали на русский крейсер «Варяг» и канонерскую лодку «Кореец» в корейском порту Чемульпо при их попытке прорваться к Порт-Артуру. После неравного боя с шестью японскими крейсерами и восемью миноносцами «Варяг» был поврежден и затоплен экипажем по приказу командира, а «Кореец» взорван. 10 февраля Япония, задним числом, объявила войну России. Началась русско-японская война («нитиро сэнсо») 1904–1905 годов.

Первые японские воинские соединения, высадившиеся в Корее в феврале и марте, к маю достигли Маньчжурии. Вторая группа японских войск в это же время высадилась на Ляодуне и заняла порт Дальний. Третья армия под командованием генерала Ноги Марэсукэ в июле-августе начала осаду Порт-Артура.

Для России Русско-японская война обернулась горьким поражением. Специалисты объясняют неудачи русских войск недостаточной военно-технической подготовкой армии, ошибками командования, растянутостью коммуникаций, невозможностью быстро перебросить в районы боевых действий резервы и обеспечить надлежащее снабжение, поддержкой Японии Англией и США. В апреле 1904 года Тихоокеанский флот лишился своего командующего — адмирала С. О. Макарова, погибшего на флагманском корабле «Петропавловск», подорвавшемся на японских минах на внешнем рейде Порт-Артура. В августе-сентябре 1904 года Россия проиграла битву в Маньчжурии под Ляояном, а в октябре — у реки Шахе. В январе 1905 года после почти годичной героической обороны русскими войсками Порт-Артура, крепость была сдана японцам. В начале 1905 года японская армия одержала победу при Мукдене, а при попытке прорваться к Владивостоку погибла 1-я Тихоокеанская эскадра. В конце мая 1905 года в ходе морского сражения около островов Цусима японские военно-морские силы разгромили русскую эскадру, прибывшую с Балтики. В самом конце войны, в июне-июле 1905 года, с Хоккайдо на Сахалин вторглась крупная группировка японских войск Россия не держала на острове большие воинские соединения, словно смирившись с тем, что его придется отдать. Вместе с военными оборону держала дружина ополченцев. Японцы сумели сломить русское сопротивление на острове и оккупировали долгожданную территорию. Еще севернее японское командование небольшими силами пыталось захватить юг Камчатки и Командоры, но встретив сопротивление, они вынуждены были отступить.

Обе стороны понесли в войне существенные потери и были истощены боями. После мукденского сражения главнокомандующий маньчжурской армии Ояма Ивао убедил правительство Кацура Таро начать мирные переговоры с Россией. После морского боя при Цусиме Япония секретно обратилась к президенту Соединенных Штатов Т. Рузвельту с просьбой о посредничестве. В июне согласие было получено. Россия хотя и имела еще значительные силы на Дальнем Востоке, но продолжать войну из-за нарастающего революционного движения сочла нецелесообразным. 5 сентября 1905 года в городе Портсмуте (штат Нью-Гемпшир, США) враждующие страны подписали мирный договор. Россия вынуждена была уступить Японии зоны влияния на Дальнем Востоке и отдать Порт-Артур и Дальний. Япония получала свободу действий в Маньчжурии и контроль над Южно-Маньчжурской железной дорогой (ЮМЖД, по-японски — Минами Манею тэцудо, сокращенно Мантэцу), являющейся ветвью Китайско-Восточной железной дороги, ведущей от Чанчуня к Порт-Артуру. Япония очень надеялась получить от России, как и от Китая, большую контрибуцию. Однако Россия платить ее отказалась.

В территориальном отношении Россия теряла южную часть Сахалина. Япония требовала передачи всего острова, занятого ее войсками. Аналогично Аляске, Япония предлагала России деньги и за Северный Сахалин. На переговорах глава российской делегации С.Ю. Витте все же сумел отстоять север острова.

И соответствии с Портсмутскими соглашениями, японские войска, захватившие Сахалин, должны были оставить его северную часть. Во владение Японии переходили те земли Сахалина, которые находились к югу от 50-й параллели. (Отторгнутая от Российской империи территория становилась японской колонией. Статус колонии за Сахалином сохранялся 37 лет. В 1942 году юг острова был превращен в составную часть империи. Эту часть Япония удерживала за собой до 1945 года, до окончания Второй мировой войны. В стратегическом отношении Россия теряла много. Все Охотское море с этого времени стало находиться под японским контролем. После окончания русско-японской войны договор 1895 года о торговле и мореплавании, заменявший предыдущие договоры и соглашения, в том числе и договор 1875 года об обмене территориями, перечеркивался японской стороной в одностороннем порядке. О прежних «дружественных отношениях» уже не могло идти речи. В силу вступало право победителя на завоеванные земли.

После поражения России в войне участь курильских айнов постигла и айнов Сахалина, которые задолго до окончания военных действий ждали от японцев неприятностей. В течение всей войны аборигенное население боялось высадки японцев и сражений на острове. Боялись они, как отмечал Пилсудский, встреч с японцами из-за своих жен. Опасались, что всех айнов вывезут с Сахалина как российских подданных, в связи с чем «многие готовились убегать при появлении японцев в горы».

Вслед за уходом русских с юга Сахалина на новые, теперь уже японские территории, из Японии хлынула волна чиновников, землевладельцев и рыбопромышленников, подвергших айнское население безжалостной эксплуатации. Сахалинских айнов после окончания Второй мировой войны вывезли на Хоккайдо, где и сейчас проживают немногие из оставшихся в живых.

В ходе войны Япония присоединила к землям империи еще два маленьких необитаемых острова Такэсима (по-корейски — Токто), находящихся в Японском море между Японскими островами и Корейским полуостровом и до этого считавшихся территорией, принадлежащей Корейскому королевству. Оккупация была произведена из стратегических соображений. Японцы ждали прихода в Японское море русских кораблей. В феврале 1905 года острова, которые Япония считала своими, стали частью префектуры Симанэ, расположенной в западной части Хонсю. Кроме Кореи, в условиях масштабной и кровопролитной войны, этой потери никто не заметил. После Второй мировой войны острова были возвращены Корее. В настоящее время Япония снова предъявляет на острова претензии.