第一次世界大战期间，一种全新的作战思路影响了参战各国，自然也影响了日德战争，那就是“堑壕战”，也就是“堡垒作战”。人们发现，依托坚固工事据守的一方，往往能够以极小的代价抵挡兵力数倍于己的敌军，于是修筑堡垒成了时髦的战场行为。德军效仿此法，也在青岛构筑了五大堡垒，这是他们认为最坚固的最后一道防线。但就是这道防线，从发动攻击开始，只用了不到一个月的时间，就被日军攻破了。
雷击舰击沉日军巡洋舰
据青岛市史志办史料记载，1914年10月13日，日军攻城炮兵司令部、攻城重炮兵第四大队和步兵第二十九旅团等后续部队在崂山湾登陆，准备参加攻打青岛要塞。这个要塞如此之坚固，以至于日军为了减少伤亡，耗费了近一个月的时间进行部署。
或许意识到气数将尽，德军开始自沉战舰，以阻塞航道，防备落入敌手。9月28日，德军战舰“哥尔莫兰号”、“卢克斯号”和“伊尔奇斯号”首先引弹自爆，沉入团岛主航道。随后奥地利巡洋舰“伊丽莎白皇后号”也自爆沉没，在最后的日子里，德军“耶加号”炮舰和3艘7000多吨的运输舰，以及4艘拖船、两艘疏浚船全部沉入大港码头的航道入口处。
但事情总有例外，一艘S-90雷击舰不甘自沉，居然上演了“千里走单骑”的传奇，奇迹般地击沉日军高千穗号巡洋舰，为德军在最后关头留下了亮点。话说回来，这艘高千穗号巡洋舰就是当年参加甲午海战的主力舰之一，北洋水师没有打沉它，但它还是难逃覆灭在中国领地的厄运，实在是天意。
S-90雷击舰本来只是想要发起“自杀性攻击”，10月17日午夜，它配足武器和给养，在舰长布鲁纳大尉的指挥下驶出。但是好运来了 ，德舰观测兵发现远处有一艘两桅单烟囱的巡洋舰，周围没有其他日舰。布鲁纳决定出其不意打一下，于是利用夜幕的掩护低速驶近。在距“高千穗”号500米处，S-90连发两枚鱼雷，其中一枚命中“高下穗”号舯部。
随后S-90号雷击舰接近至300米处转向，又用舰艉发射鱼雷一枚，命中“高千穗”号艉部。只见火光冲天，同时传来震耳的爆炸声，直径1米多的日舰碎片甚至砸伤了相距不远的S-90号。后者赶紧见好就收，迅速往南撤退，此刻它恐怕还不知道，它撞了头彩。
吴芊华曾写有《参加甲午海战的那些日舰后来命运如何》一文，详细记述了“高千穗”号被击沉的始末。据说“高千穗”号被击中，正在酣睡的日本水兵们尚未清醒过来，舰体已经倾斜进水。不久，尾舱又传来几声低沉的爆炸声，存放在尾舱的水雷居然被引爆了 。短短5分钟的时间，舰长伊东佑保大佐及284名水兵葬身大海。当时只有在甲板上作业的十多名水兵在舰沉之前弃船跳海，被邻近驶来的日军小船救起，才幸免于难。
事情很快引起日方震怒，18日凌晨4时许，日军司令部得知“高千穗”号被击沉后，下令不惜代价要捕获偷袭的德舰。S-90号雷击舰原打算赶往自由港上海，但在日照石臼所一带触礁搁浅，六十余名德国官兵被迫用舰上的水雷将舰体炸毁，登岸后向当地中国政府投降。直到18日下午，日军才在石臼所沿岸找到仍在冒烟的德舰S-90号，日军大尉田野村欲将该舰拖走。当时的中国政府迫于国内压力，不允许日舰拖走S-90号或在舰上悬挂日本国旗，德国驻中国公使也多次向中国政府交涉。后经中日两国交涉，日方同意放弃S-90号并交由中方自行处理，此事才得以和平解决。
最后，S-90号舰上的全体官兵被中国军队解除武装，由中国政府派兵看押至德国驻南京领事馆，后依归国程序允其返国。S-90以一人未伤的代价换取了日军一艘巡洋舰被击沉，280多名日军死亡的战果。
堡垒最容易从内部攻破
“高千穗”号的沉没虽然给日军造成一定打击，但是对整个战局没有产生影响，在完成攻城部署之后，日军即将发起攻击。10月31日，是纪念日本天皇诞辰的“天长节”，日军的总攻在一片“效忠天皇”的呐喊声中开始。拂晓，日军从陆地、海上对德军防御体系进行了持续6昼夜的火力轰击，把德军阵地炸成一片火海，随即发起攻击。
这里先介绍一下德军的五大步兵防御堡垒，青岛老百姓习惯称作1、2、3、4、5号炮台，分指为小堪山 、小堪山北、中央、台东镇东、海岸等堡垒。另外，在4、5号炮台之间还有一个小堡垒，称为台东镇堡。这五大堡垒之间除有战壕相连之外，德军还在地下建有用石块砌制成的秘密运兵通道，连接于各堡垒之间。德军的各个堡垒内的建筑一般为一大三小，即一处大型掩蔽部，周围分布着三座小型掩蔽部。
在五大堡垒之中，中央堡垒是日军攻击的重点，也是整个堡垒体系最重要的一环。据《1914年青岛日德战争》记载，11月6日晚，日军派出侦察兵潜入中央堡垒，基本摸清了德军的火力配置情况。日军加藤大佐根据汇报，断定日军有可能在此处突破德军的防线。而且，经过近几日的反复攻击，德军的战斗意志已经出现疲惫消沉。另外，德军一般在拂晓时分警觉性较高。故在此时，德军的兵力应全部布置在野战工事内，以待敌军突击。也正是由于德军这种消极古板的作战原则，给日军创造了一个极好的突击时机。
和上次浮山夜袭一样，日军选择在凌晨发动秘密突袭。这次突袭工兵发挥了巨大作用，工兵借助火力掩护先是破坏了铁丝网防御，剪开了两个大豁口，引导步兵进入;又潜入外壕，在壕底架起三个梯子，日军悄然迅速地进入外壕，并翻过内壕来到掩蔽部的前面。工兵还迅速破坏了电控地雷，保证军队的安全。
此时，德军依然没有发现偷袭的日军。直到日军占领了德军前沿的散兵壕，来到距德军掩蔽部约50米处，进行近距离侦察，才被防御工事里的值班德军发现。但为时已晚，这些德军抵挡不住日军的火力，匆匆逃窜，工兵赶紧上前将电话线、地雷线、探照灯线等全部割断。
11月7日凌晨1时20分，日军突击队兵分两路迂回到堡垒的后方，来到巨大掩蔽部的大门前不足30米处时，发现外面只有一名德军的监视哨兵在值勤，那名德军士兵被眼前突如其来的情况惊呆了，竟忘了鸣哨报警，日军见状迅速地冲了上去。随后，日军包围了掩蔽部。最后，日军士兵来到掩蔽部大门外的楼梯口向掩蔽部内的德军喊话劝降。沉默片刻后，德军的指挥官决定放下武器。很快，日军的太阳旗插上了德军的前沿堡垒。
中央堡垒失陷以后，德军步兵防御线很快全线崩溃。日军乘胜追击，又相继攻陷了太平山炮台和青岛山炮台，至11月7日，德军所有炮台均落入日军之手。
德国总督投降后被押日本
在青岛话中，有个有趣的俗语，叫做“德国打德国”，意思就是“自己给自己找麻烦”、“自相矛盾”，这个俗语就来自于德军在日德战争中的最后表现，为了不让日军获得重武器，德军最后自炸大炮，自毁战舰。老青岛人不理解，才有了这句“德国打德国”。
从11月5日，德军就开始自行炸毁炮台。中央堡垒被突破后，德军加紧破坏。11月7日清晨，德军自爆了受到日军围攻的俾斯麦山炮台。战至19时30分，其余炮台也均落入日军之手。德国总督迈尔瓦德克见大势已去，命令余部炸毁防御设施，在观象山挂起白旗。至此，青岛战役结束。
11月14日，日军以胜利者的姿态发表占领青岛宣言。当日，包括德国总督、要塞司令官迈尔瓦德克在内的首批高级战俘，自沙子口登船，被押往日本的福冈战俘营。这名德国总督在日本的生活并不舒服，当时日本的报纸曾有过一篇通讯，日本记者描述了一个细节，迈尔瓦德克想要递一封家书，但是受到战俘收容所办公室铃木陆军少将的冷落，居然流下了委屈的泪水。日本记者显然对此没有半分同情，作为战胜者，他评价道：可是他为什么不想一下，此时的他作为一名战败的军人刚刚成为战俘，回想到自己在青岛殖民地时代的那种“优越感”，(毕竟)与今日阶下囚的处境差之千里。
关于日德战争的双方损失情况，记载各有不同。综合来看，这次战役德军失踪伤亡总数493人(阵亡199人)，加上大约3600人的战俘。日军蒙受了伤亡总数1900人(阵亡415人)的损失，其中，海军损失了巡洋舰“高千穗”号，驱逐舰白妙号，一艘鱼雷艇和两艘小型扫雷艇。英国的失踪伤亡总数为陆军74人，海军9人(其中陆军13人，海军3人阵亡)。
对于德国战败原因，青岛文史专家衣琳分析说是因为德国士兵太少，“以浮山战场为例，87个德国人，500个日本人，军事理论上，日德攻守双方比例为3：1时，战争能持平。但这次战争兵员差距太大了，怎么能守住?”
日德青岛之战改变了东亚的国际关系格局。青岛失守后，德国人丢掉了他们在亚洲大陆上最后的殖民地，也失去了德国在欧洲以外的最后一个战略据点。而日本独占青岛后，一方面开始大量投资工业和纺织业，进行经济掠夺;另一方面也进一步刺激了日本称霸东亚的野心，为其成为二战策源地埋下了伏笔。