中日甲午战争爆发，大寺安纯奉召于九月十日返回日本。十月二十四日，大寺以第一师团参谋长的身分，随大山岩陆军大将指挥的第二军在辽东半岛花园口登陆，入侵中国东北。十一月初，大寺及师团长山地元治率部侵占貌子窝，经亮甲店，进逼金州外围。大寺命令该师团猛攻中国守军阵地，并乘势蚁附而上，夺取山隘要道，控制了制高点。十一月六日，大寺率部进攻金州城，以大炮轰击，炸药爆破，轰塌东北两城门，蜂拥而入，陷金州。后率兵南下，于十一月七日攻克大连。十一月十七日，开始向旅顺进军。十八日，经双台沟前往土城子，当前锋进至土城子以南时，行进纵队 被中国军队分割为数段，陷于被围攻之中。大寺遂命令日军向双台沟方向败逃，中国军队立即追击。此时，日军炮兵赶到，援兵亦到，中国军队主动撤出战斗，退守旅顺。十一月二十一日，大寺率师团进逼旅顺外围。十一月二十二日黎明，在日本海军配合下，第一师团集中全部炮兵对旅顺进行轰击，设置于椅子山、案子山、松树山、黄金山、馒头山的中国守军炮台亦猛烈还击。对峙一小时后，日军攻占案子山、椅子山炮台，其他中国炮台守军也陆续溃败。当日，日军占领旅顺。第一师团进入旅顺后，大肆屠杀百姓，除留三十六名中国人作掩埋尸体的苦力外，其余不分男女老幼全部杀死，四天中，共屠杀无辜平民近两万人。谓之“甲午旅顺大屠杀”。大寺安纯与山地元治是这次暴行的罪魁祸首。