日露戦争は主に満州と朝鮮半島の支配をめぐる衝突でしたが、長引けば国際貿易や各国の利害に大きな影響を与える恐れがありました。ルーズベルトはアメリカの国益と世界の安定を守るため、両国に講和交渉を提案しました。彼は中立港ポーツマスでの会議開催を調整し、休戦条件や領土分割をめぐる激しい対立を時間をかけて仲裁しました。その結果、1905年9月5日にポーツマス条約が調印され、戦争は正式に終結しました。これは国家元首が積極的に平和仲介を行った初期の成功例とされ、後の国際連盟や国際連合の平和活動の先例となりました。ルーズベルトは受賞演説で「力だけでなく正義と公平が必要だ」と述べ、外交における道徳的リーダーシップの重要性を強調しました。

ルーズベルトの仲裁外交は、当時台頭しつつあったアメリカ外交の『大国責任論』を体現していた。彼は欧州列強の均衡が極東にも波及しうることを理解し、米国が第三者として調停することで国際秩序に寄与できると計算した。ポーツマス会議では、樺太南部割譲や賠償金問題で日露双方が一歩も譲らない局面が続いたが、ルーズベルトは非公開の個別交渉や書簡外交を駆使し、関係国の世論と金融市場の疲弊を示して歩み寄りを促した。結果として日本は賠償金を断念し、ロシアは韓国に対する影響力を手放すなど、双方が限定的譲歩で妥結した。米国は仲裁の成功により国際的威信を高め、後の『カーネギー平和基金』設立やハーグ平和会議の強化にもつながった。ルーズベルトは授賞金を米議会図書館での国際仲裁研究基金に寄付し、制度化された平和形成の必要性を示唆した点でも先駆的であった。

ポーツマス講和のプロセスは、多角的仲裁手続の嚆矢として国際法学の研究対象となっている。ルーズベルトは両国から事前に『好意的仲介（good offices）』の要請を得たわけではないが、1905年6月の秘密書簡で提案を送り、結果的にハーグ条約（1899）第3条が想定する形式的仲裁を超える実効的平和手段を示した。交渉ではウィッテ全権団の“無賠償・無割譲”原則と小村寿太郎全権の“南樺太割譲・賠償請求”が衝突したが、ルーズベルトは戦費調達におけるロスチャイルド系金融網の動向や米・英ジャーナリズムの論調を情報資源として活用し、交戦国の交渉許容範囲（ZOPA）を定量的に把握していたとされる。調停結果はシャトル外交とマルチレベル・ガバナンスの有効性を示し、その後の国際紛争調停理論（Ripeness theory, Track-One diplomacy）のケーススタディとして引用される。ノーベル平和賞の授与は当時まだ『業績の継続性』要件が緩く、現職国家元首への授与が可能だった時期の象徴例でもある。