牛庄，地处海城以西25公里，西通锦州、山海关，南联营口、田庄台，为营口、田庄台的后路，是清军运送粮饷兵械的要道，适逢“各军粮台辎重尽在牛庄”。先是魏光焘统武威军6营3哨驻三台子，徐邦道统拱卫军11营驻柳公屯，李光久统老湘军5营驻三台子中阳堡，刘树元统亲军6营驻四台子、榆树堡、大堡垒，“皆以牛庄为后路，仅驻武威一营”。3月2日，诸将商定于明日进攻海城。正筹划间，忽接探报：“贼马队七十、步队数千，绕出耿庄子、古城子而去，恐袭牛庄也。”乍听之下，众皆不信，疑为奸细蛊惑，一致坚信日军指向辽阳方面，“而不虑其抄袭我后者”。而驻牛庄的余寿武营直至战前一日尚不知大敌当前，经侦察才敢确认。魏光焘闻讯日军由鞍山站以大股骑兵乘虚直捣清军后路牛庄时，才率军于3日晨8时折回，其他各军仍远在海城前线。该镇无城墙可守，周围一片平地，清军聚屯庄内。魏光焘深知恶战降至，择市街的入口处紧急抢筑一尺厚的土墙，以此为一线工事，并在镇内利用高大官衙和民房为防御掩体，在其院内四周墙壁上开凿枪眼，以此作节节御敌的复城，为进而巷战之备。魏光焘将仅有的兵力布置为：左、右、中三营防守西北面;前、后两营防守东北面;自率大营炮队、马队及卫队防守中路。
3月3日7时，第5师团自汤岗子出发，奥保巩命大岛义昌为前卫司令官先行，自率师团主力继后。前卫以混成第9旅团第21联队第1、3大队及骑兵1小队、山炮第2大队第4中队。师团主力为：第10旅团第22联队第1、2大队，混成第9旅团第21联队第2大队，第11联队第1大队及炮兵第5联队山炮第1大队、野炮中队，工兵第5大队第1中队。并令骑兵第5大队独立执行远距离搜索任务。第5师团当晚进至牛庄以东45里的崔家庄附近宿营。
与此同时，第3师团也向牛庄方向进发。大迫尚敏率第5旅团为前卫，从金家台开拔，经普赖屯到达牛庄以东20余里的古城子，原作为前卫的大岛久直所率第6旅团改隶于师团主力，由将军屯进至牛庄以东约30里的耿家庄子，第6旅团第19联队第3大队为右翼支队，在师团主力之右侧行进。另以第7联队第2大队为鞍山站支队，第19联队第2大队为宾山子支队，共同对辽阳方向实行警戒。
3月3日，为鼓舞士气，第1军司令官野津道贯特许各部战前“自由征集物资”和“尽可能地犒劳士兵”。实则暗许任意奸淫掳掠。并训诫各部“尽可能避免正面进攻，努力进逼敌军侧面”。根据其布置，第5师团自紫方屯沿大道前进，进逼牛庄的东北面;第3师团离开大道，绕到牛庄以北，进逼牛庄西北面，并切断守军向营口的退路。其中，奥保巩命第10旅团22联队攻牛庄北面;大岛义昌旅团主力攻牛庄东北面;桂太郎命第5旅团18联队为前卫，攻牛庄北面;大岛久直旅团主力攻牛庄西北面。4日7时，大迫尚敏指挥下的佐藤联队从古城子出发，于牛庄以北约3里的邢家窝坊与耿庄子开来的第3师团主力会合。9时，桂太郎令大迫尚敏部从正北方，大岛久直部从西方进攻牛庄。
8时15分，步兵第18联队第3大队尖兵抢占邢家窝坊要地，随即掩护野炮兵第3联队(欠4个中队)占领邢家窝坊至牛庄北口的凹道两侧阵地，将6匹马牵引的野炮12门、马驮之山炮12门各排列在两侧3尺高地，向牛庄密施以排炮猛轰。9时30分，魏光焘令炮兵予以还击，并利用城北口约40米处的民舍修补土墙作为堡垒设伏，诱敌深入。在炮火掩护下，大迫尚敏督率第18联队长佐藤正所部成散兵线，以牛岛少佐率第3大队为前锋从凹道中间发起冲锋。10时30分，18联队主力联合并进。10时40分，守军将第3大队一线的第9、12中队“吸引至最佳射击距离”100米时，“俄据民家土壁乱发小铳，极为剧烈”。此刻，日军处于“平坦开阔地面，毫无地形地物隐蔽”的被动挨打境地，“死伤非鲜”。“逼近城北端之家屋”，清军继续用猛烈炮火攻击，联队护旗兵一死三伤，佐藤正手腕被枪弹所中，自以巾裹伤，“令兵士唱军歌而进，势颇壮烈，兵士争先突出。清兵不屈，频射大小炮弹，片伤佐藤大佐左膝关节，门司(和太郎)少佐代率其大队。”联队长佐藤正两次受创，被抬下战场，中队长新保正大尉重伤毙命，步兵中尉岩本绩、川口金之助、儿玉象一郎等以下负伤100余人，使所向无敌的开路先锋第18联队遭遇甲午战争以来前所未有的损失，锐气大挫。
大迫尚敏见前锋作战不利，便令第2大队援击，战斗更趋激烈。11时10分，第8中队在炮火掩护下，攻占一线独立家屋据点，中岛少佐率第9、12中队投入右翼。11时20分，第6中队加强第3大队右翼，展开攻势，夺获山炮2门，第7、8中队各一部攻取耶稣教堂。7分钟后，第3大队各中队突入我阵地，双方近战肉搏。据魏光焘报称：“左、右营接战，中营继之，贼以排枪炸炮抵死抗拒，弹如雨点;我军以劈山炮洋枪对击。土卒中弹者如墙而倒。前虚后进，贱之为我击毙者尤众。故伤亡虽多，士气仍壮，纵横荡决，力不稍疲。左营余总兵福章中伤坐地，犹持刀督战，随复炮中要害阵亡。右营沈提督宝堂两臂中弹皆折，帮带陈参将胜友战死。中营总哨弁亦伤。土卒伤亡犹众。”“忽贼另支围我驻扎之所，前后受敌。本前司(魏光焘自称)亲督死拒，无奈贼党愈积愈厚，伏首钻进，炮雨横飞。大营肖总兵有元中炮伤重，左哨、右哨、正(哨)、副哨弁登时阵亡，卫队哨弁重伤，亲兵伤亡过半，万难力遏，突围且战且退。”在魏光焘的指挥下，武威军“顽强抵抗，接战格斗，”终因众寡悬殊，伤亡殆尽。战至11时30分，第3大队第9中队一部及第10中队突入城北神社，随即大队主力分路突进，城北清军反击失利，被迫退入街区巷继续抵抗。13时，石田玉珍少佐率担任预备队的第18联队第1大队第2、4中队投入左翼，扩大战果。
10时20分，牛庄西面的第3师团第6旅团以第19联队第1大队为预备队，以3个步兵大队担任突击。10时40分，第7联队第1大队为右翼，第3大队为左翼，从邢家窝坊以西3里的二轩家向牛庄进发，趁双方主力激战正北及东北方而无暇西顾之际，以神速袭占天主教堂为目标。第19联队第3大队随右翼跟进，骑兵第3大队负责侧后警戒。12时20分，第1大队从西北突入，第3大队攻入西门，林太一郎少佐率第19联队第3大队从西北大迂回疾驰到牛庄西南，射击从此突围的守军，并扼守至营口及田庄台的大道。12时30分，粟饭原大佐率第19联队第1大队及工兵大队进抵牛庄西北端，作随时应援之备。
3月4日，第5师团按预定计划继续向牛庄靠近。进攻序列是：大岛义昌所率前卫队不变，原属主力的步兵第21联队山口少佐的第2大队(欠第6中队)和大江大尉的野炮中队、平城中尉的骑兵小队组成左翼队，向西迂回到牛庄至营口大道上，掩护侧翼及搜索警戒，并切断牛庄清军的退路。11时10分，配属前卫队的山炮中队抢占紫方屯西北端，炮击清军的突出阵地。随即师团部进驻牛庄以东1公里的紫方屯，就近指挥。11时20分，步兵第21联队在炮火掩护下向牛庄东北方阵地进攻，奥山义章少佐的第3大队(欠第10中队)为第一线。武威军前、后两营士兵利用数百米的开阔地，在城区内设墙堡，或在房屋的墙壁上挖枪眼，“伏河沟间，恃土墙为障，诱贼及近，”暂不还击。待敌近前，百枪齐射，6门加特林速射炮猛烈开火。刹那间，处于一线开阔地带的奥山大队563人，无隐蔽之处，战死达19人，伤68人，士气为之沮丧。大岛义昌命森祗敬少佐率第1大队(欠第4中队及第1中队的2个小队)及第10中队进攻紫方屯西端。大岛及步兵第21联队长武田秀山大佐亲自“奔驰于各战斗部队之间，激励土卒”。清军“伏河沟间，恃土墙为障诱贼及近，”再行还击。11时40分，第3大队突破一线阵地。此刻，日军的山炮中队、野炮中队在紫方屯西南端占领阵地。11时55分，师团预备队渡边大队(欠第5、8中队)、竹田工兵中队，及军总预备队的仙渡大队也相继加入该线作战。一位目睹这场激战的日本随军记者写道：“此时，枪炮声如百雷齐鸣，万狮齐吼，震耳欲聋。数百云朵在牛庄上空飘游，是我军发射的榴霰弹在空中爆炸，烟霞浮动于杨柳深处，是敌军发炮后的余烟”，“弹丸纷飞如雨，硝烟暗澹蔽空”，战斗异常激烈。据统计，仅野战炮第5联队就发射榴弹17发、榴霰弹213发。但清军毫不稍屈，“环击毙贼甚伙”，誓死挡住了攻势。
奥保巩见进攻受阻，急令田唯一少佐率步兵第22联队第1大队直扑清军右翼。12时15分，联队长富冈三造中佐率主力继进，意图从东关木桥突破。桥东地势平坦，毫无掩遮。“弹丸雨下，炮声如雷，硝烟冥蒙，咫尺不辨。忽有一弹飞穿今田少佐咽喉，少佐死之。”今田唯一曾参加平壤之役和进攻摩天岭的战斗，素以“勇敢”著称，即将晋升中佐，终而丧命。大队由佐佐木大尉指挥。富冈三造“大怒，欲以复仇，益鼓舞诸兵突进”。清军才两营，刚顶住左翼的进攻，又遭右翼的猛扑，左支右绌，难以招架。此时，日军“势如奔潮”，“麇聚螺集”，清军“马步肉搏鏖战”。“前营龙总兵恩思项头及足重伤，扶送附近民房躺卧，所部仍抵死拒战。后营罗副将吉亮，伤颏及足，帮带魏游击极富阵亡。罗副将督战不休，裹入贼围，仍于枪林弹雨中冲出战地。”战至12时30分，日军第22联队以战死9人，伤39人的代价，第1大队第1、2中队终于越过木桥，第3、4中队从桥东北方攻入街区。武威军前、后两营退人市街后，继续据民房坚守。至此，在两个师团的合力猛攻下，清军牛庄外围全被攻破，阵地具失，战斗转入街区。稍后，第5师团长奥保巩在参谋、副官的簇拥保护下，来到牛庄城外的独立家屋，师团本部暂时驻此。
在牛庄城东郊战斗中，第5师团第21联队夺得清军加特林炮6门、第22联队夺得山炮2门，至此守军仅有的少量火炮尽失。
午后，第3师团第5旅团从牛庄城东北和北面，混成第6旅团从西北三个方向;第5师团混成第9旅团从东北和步兵第22联队由东面，四路攻入牛庄街市，双方展开了激烈巷战。混战中清军退路被切断，失去统一指挥，被优势敌军分割包围成几十个战斗集团，多则几百人，少则数十人，各自为战，进行分散抵抗。日军也划分成中队、小队为单位的几十股，与清军混战，并以工兵逐屋穿墙破进。“城内到处发生激烈的巷战，……各队相互错综，战况复杂”。
1时30分，第22联队第3中队及第1中队1小队，首先从北面冲入镇内，清军50余人据一民房“抵抗甚为顽固”，最后全部殉国。日军即以左右迂回，继续搜索。有百余名清军在一大院内，利用外围石墙作誓死坚守，日军多次进攻均被击退，且“死伤颇多”。日军无计可施，15时令工兵用100多公斤的地雷炸药，分三次埋在围墙下，用炸药引爆地雷，将围墙轰塌，大久保中尉率第3中队冲入院内。此前，清军子弹用尽，用墙上的砖石打击敌人，士气不妥。同时，第6旅团分兵绕至牛庄城西南部进攻，营官黄某率部分清军在当铺内守御抵抗。该当铺系清军火药库，外面围砌厚实的砖墙，“宏伟坚固，如一城郭，除西北一门以外，其他各门均以砖石堵塞”。大岛久直令步兵第7联队2个大队围攻，“欲破其门，清兵以铳狙击，且门壁坚牢不能破。适有放火西面者，内藤(新一郎)大队亦烧其旁近家屋，猛火焰焰起于二方，清兵尚无屈色。日军即欲穿外围墙壁以入其内，清兵丛射益力，不能进。因又穿一大孔于家屋外壁，开路而入，清兵已退据内壁，内壁亦坚固，不可辄破。”16时10分，第1大队长派2名当地人入内劝降未果，30分钟后再投掷劝降书，得到的却是“猛烈射击”。17时15分，见最后的劝降未能奏效，便在东西两侧民房纵火。清军在熊熊烈火和滚滚浓烟中坚持抵抗，“毫不少屈”。18时10分，联队长三好成行大佐见久攻不破，即调两门山炮轰击弹药库，致其起火爆炸，子弹横飞，守库清军大部牺牲。随后，日军攻入街区十字路口处，遭遇扼守路口西南、东南二角建筑物的清军猛烈交叉射击，战斗呈胶着状态，敌我混杂，异常激烈。
第5师团在侵占牛庄城东北诸外围后，继续向街区进犯。混成第9旅团第21联队长武田大佐督率第1、3大队，经两个多小时的反复冲杀，才夺取城东一线阵地。但清军“仍然据民房死守”，日军屡攻不克。经多次冲锋，才夺取数处据点。15时40分，守军在敌众我寡的不利形势下，退守太平桥以东的郅兴隆烧锅和牛庄衙门内，拼死抵抗，致使日军死伤累累，中途不得不停止进攻。
3月4日16时许，正在魏光焘所部武威军与日军战至“鼓衰力竭之际”，湘军第一悍将李续宾之子、道员李光久率老湘军五营2400人从海城前线驰援牛庄。是日晨，李光久率部自三台子西行。晏安澜闻讯，迎于中途。李光久约晏安澜同救牛庄，劝曰：“海城已无克复期，胡为郁郁久居此?”晏安澜答曰：“我去，则诸营散，大局不堪问。公能保牛庄，我尚思下海城也。”由于诸将意见不一，李光久只得独自率军赶往牛庄。“士卒疾行二十余里，至牛庄，未及造饭，已被围。”至是，李光久始知牛庄外围防线被敌冲破，武威军正退守市街。当即分兵三路，“以前左营为右路，向关帝庙等处攻入，以右后营为左路，向海神庙等处攻入，以中营及马步小队为中路，向牛庄土城一带攻入。”老湘军“一进街口，即与该贼巷战，毙贼无算，业已败出街外，乃前贼败退，后贼纷来，枪炮雨密。贼又从两旁拥出，纷纷击犯，勇与贼几莫能辨。血战竟日，各街口被贼纵火，断我出路。”后营管带提督谭桂林冲至海神庙前，忽遇大股日军自教堂窜出，“头中炮子，登时阵亡”。左营管带提督贺长发伤腹甚重。前营帮带提督邓敬财“督队力战，胸膛中炮阵亡”。中营游击王得志“右手伤重，伏往复力战，旋即阵亡”。中营哨弁邓汉南中炮断掌，右哨哨弁周国堂、后营哨弁胡锡吉、都司邓翔麟、左营帮带提督阳厚德、都司殷成谱身受重伤，下落不明。“有一营官受伤不能战，据地而坐，挥兵直前，竟斩日军官一人”。大批当地的文职官员与湘军并肩守土抗战，知县黄光楚、云骑尉谢克松、文童邓汪汇、刘必蛟等“各率亲兵往来策应，俱力战阵亡”，营务委员知县李续祜督战受重伤。
至日落前，日军重点进攻牛庄城东北郅兴隆烧锅和城西牛庄衙门。坚守烧锅的清军200多人据险拼死抵抗，施放排枪，表现“最顽强，无屈色”。日军以第3师团第5旅团第18联队、第5师团第10旅团第22联队和混成第9旅团第21联队之各一部及工兵中队将其围困。第5师团长奥保巩亲临指挥，鉴于屡屡冲锋受挫，“遂令各部停止射击，由工兵中队破坏其墙壁。”17时，工兵中队长竹田祯之助大尉率第3小队前去爆破，用炸药将厚0.6米、高3.5米的墙壁炸开一大豁口。但面对猛烈攻势，清军仍誓死坚守，使敌不能前进一步。日军不得不组织再次爆破，第22联队所属第3、4中队首先冲入郅兴隆烧锅，才告占领。第22联队第2大队渡边述少佐率2个中队虽于14时20分突破太平桥，但在梁家园附近陷入苦战2小时，草木皆兵，请求调2个中队援击。第22联队半个大队隔木头桥与牛庄衙门的守军对射，富冈中佐请求工兵小队增援。如此遂屋争夺，日军每占领一座建筑物，都要付出沉重的代价。
双方战至日落，第1军提前宣布占领牛庄，日军停止进攻。军司令部进抵紫方屯以南村落宿营。18时，第3师团长桂太郎命第5旅团一部护卫野战医院，主力警戒牛庄北部;第6旅团警戒牛庄西南部，控制至营口及田庄台的大道;以第19联队第1大队负责警戒牛庄西北，上述各部严防守军突围，并严格清剿仍据守的残敌。18时30分，第5师团长奥保巩划定了夜间警戒区域：前哨线在辽河左岸;第21联队以太平桥为右翼，以木头桥为左翼;第22联队以木头桥为右翼，左至柳屯桥，并对这两个区域实行警戒。并严令：“除万不得已，不得进行夜间射击”。入夜，战斗主要集中在第3师团侵占的地域内进行。尽管师团长桂太郎令“夜间攻击只准使用刺刀”，但枪炮声依然不断。拼死据守的清军终因敌众我寡，城区东北及西南的主要街道，均先后陷落。混成第6旅团长大岛久直妄图全歼守军，在牛庄城西面指挥第7联队突进，沿大洋河一带攻入城区，一部沿大道向北返，一部向南过桥与在通往营口大道上扼守清军退路的第5师团之山口大队相接，完成合围。
22时，魏光焘、李光久率部血战至“子弹俱尽“，方放弃固守的牛庄衙门，由牛庄城西分散向田台庄突围而出，途中遭到混成第6旅团截击，双方战斗激烈，清军伤亡40余人。李光久率残部300人仍在距牛庄15公里处组织伏击战。是时，日军急追，李光久令军士曰：“驻此再战!”军士曰：“死亡已多，仅数百人，尚可战乎?”李曰：“可!坍墙甚多，吾列帜而俟，藏抬枪于短墙后，兵士少，以枪管前架短墙，后以两人持之，热药尚可排击。彼不知我众寡，地势甚便，不可失也。若战胜，彼必不追!不然尽力擒矣!”众以为然。日兵追至中伏，乃退。
日军防微杜渐，在各街口要道纵火，切断清军退路，“我军肝脑涂地，惨死万状”。夜间，巷战不息，尚未突出的清军仍在继续战斗，到处枪声不绝。3月5日拂晓，几十名清军在巷战中曾一度攻入木头桥头，对日军哨兵射击，并从数处墙壁后冷枪袭敌，迫使第5师团长奥保巩急令各部回援师团部。稍后，第1军司令官野津道贯也率军部与第5师团司令部会合。战至清晨，残存守军伤亡殆尽，牛庄失守。
日军占领牛庄后，“执剑挨户搜查，杀人无算。”一日本随军记者描述当时的景象说：“路旁伏尸相枕”，许多民房门前，“尸积成山，尸山之间流出几条浑浊的血河”，“走进门里院内也堆满了尸体”，牛庄沦为日寇残杀的血泊之中。据日方调查，在牛庄市街的2100余名死者中，三分之一是无辜平民。日军滥杀无辜，曾受到一些正直西方人士的鄙夷，指责其“如此纵杀，殊为残酷”。
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