牛莊空虛。
清軍由於被日軍的行動所迷惑，對其主攻方向產生了誤判。
而攻擊海城失利之後，清軍稍微後撤，駐在海城西北方不遠的地方，有魏光燾的武威軍駐三台子，徐邦道統拱衛軍十一營駐柳公屯，李光久統老湘軍五營駐三台子中陽堡（現中央堡），劉樹元統親軍六營駐四台子。
按照清軍的總體計劃，目前海城日軍主力北上，時機難得，正要發動第六次反攻海城的戰役。
海城方麵的四將仍在連日會商反攻事宜，沒有想到日軍會虛晃一槍之後，反過頭來抄襲自己的後路牛莊。
所以，牛莊僅有武威軍一個營兵馬駐守。
而野津道貫的目標，正是連續奔襲、奪占牛莊。
而且這個戰役計劃之中，最終是一個更大的動作——與第一軍共同行動的，還有第二軍第一師團，兩部日軍分進合擊，奪占牛莊、再進占營口，一直到達海邊，完全截斷通往錦州大道。
如此，不僅遼河下遊清軍宋慶所部有完全被包圍之危險，日軍還可掃蕩遼東半島，奪取攻擊錦州的前進基地，打開遼西的大門。
日軍這個戰役計劃氣度不凡，用心卻相當毒辣。
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日軍自鞍山站繞過海城，向牛莊急速突進。
3月2日，清軍幾位將領正在商議，決定於明日再次進攻海城。忽有探馬報告：“賊馬隊七十、步隊數千，繞出耿莊子、古城子而去，恐襲牛莊也。”
這問題大了。各將首先想到的是，自己有被反包圍、夾擊的危險。
然後，便敏銳地想到，田莊台也有危險——那裏，是湘鄂諸軍前進基地，重要的轉運之地，失去這個基地，前線補給立斷，不攻自潰。
魏光燾當即下定決心死保牛莊。投入日軍尖鋒之下無異於撲火，魏光燾卻不惜犯險，急忙率武威軍趕回，布置防禦。
魏光燾（1837—1916），字午莊，邵陽縣金潭鄉（今屬隆回縣）人。早年入湘軍隨曾國荃，辦老湘軍營務。後隸左宗棠軍，遠征收複新疆，立下不小功績，累遷當上了甘肅新疆布政使。不僅在主管財政上善於理財，而且為改變新疆教育落後的局麵，還在1891年一手創辦了新疆博達書院，並擔任第一任校長，為新疆近代教育開創了先河，還稱得上是全國開辦較早的大學。當朝廷下令征召湘軍時，他以老湘軍將領身份，應詔隨吳大澄，率武威軍六營赴遼東，與日軍在海城作戰。
回防牛莊，顯示了魏光燾是一員有經驗、敢犧牲的老將。這一戰，也是他軍事生涯中的重要一戰。
牛莊位置重要，卻是一座沒有城牆的市鎮，不易防守，武威軍隻能就地改造地形，在市街的入口處修築—道厚約一尺的土牆，並在市鎮內利用官衙和民房的牆壁作為防禦掩體，鑿出射孔，就這樣倉促修築了部分防禦工事。
魏光燾所部合6營3哨，僅有3300兵力，麵向北麵進行布置：左、右、中三營防守西北麵；前、後兩營防守東北麵；大營炮隊、馬隊及衛隊防守中路。
在史料中可以看到一張照片，注明是牛莊清軍，一名嚴肅的軍官和十幾名略帶幾分頑皮神色的年輕士兵，看不出畏懼的樣子。令人詫異的是，除幾名士兵背著火槍之外，竟還有四五根大長杆子，上端伸出了鏡頭之外。是“丈八長矛”之類？無疑，冷兵器可能占了這支湘軍裝備的三成。
這樣的裝備，難怪隻能近戰。
清軍就是憑著英勇，把牛莊之戰打成了甲午戰爭中最慘烈的一次肉搏戰。
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4日拂曉，狼竄而至的日軍第五師團便率先向牛莊發起了攻擊。
擔任前衛的大島義昌旅團進攻牛莊的東北角。
魏光燾采取誘敵深入、發起近戰的方式相對抗，武威軍前、後兩營士兵“伏河溝間，恃土牆為障，誘賊及近”[ 《魏光燾稟》，《甲午戰爭有關折奏史料》]，等日軍走近，才突起射擊。
日軍突然遭受打擊，未料到清軍火器雖然落後，火力竟然很猛。“清兵改穿銃於屋壁，裝填無煙火藥以擊，或備速射炮於凸角部，以急射炮邀擊，如驟雨一時來注。”[ 橋本海關《清日戰爭實記》]日軍處於開闊地帶，無隱蔽之處，傷亡甚眾，囂張氣焰一時被打了下去。
大島指揮第九旅團全部投入，連軍預備隊也加入戰鬥，炮兵用上了大“毒器”榴霰彈猛烈轟擊，日本隨軍記者寫道：“此時，槍炮聲如百雷齊鳴，萬獅齊吼，震耳欲聾。數百雲朵在牛莊上空飄遊，是我軍發射的榴霰彈在空中爆炸，煙霞浮動於楊柳深處，是敵軍發炮後的餘煙。”[ 橋本海關《清日戰爭實記》]
從硝煙看，清軍與日軍的火力差距相當明顯，但是，武威軍利用民房建築堅決反擊，決不稍作屈服。
激戰中，清軍擊斃了曾參加平壤之役和進攻摩天嶺戰鬥，以“勇敢”即將晉升中佐的步兵第二十二聯隊第一大隊長今田唯一。
在蜂湧而上的日軍麵前，清軍“馬步肉薄鏖戰”，展開激烈的肉搏，官兵發揚了敢於近戰、不怕犧牲的精神，“前營龍總兵恩思項頭及足重傷，扶送附近民房躺臥，所部仍抵死拒戰。後營羅副將吉亮，傷頦及足，幫帶魏遊擊極富陣亡。羅副將督戰不休，裹入賊圍，仍於槍林彈兩中衝出戰地。”[ 《魏光燾稟》，《甲午戰爭有關折奏史料》]
戰至中午12時半，武威軍前、後兩營退人市街，繼續據民房堅守。
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日軍第三師團的行動較遲，上午10時，才趕到牛莊，隨即加入戰鬥，大迫尚敏旅團從北方，大島久直旅團從西方，分頭進攻牛莊。
在炮火的掩護下，日軍向莊內突襲，防守的清軍采取同樣的方法，將日軍“吸引至最佳射擊距離”，“俄據民家土壁亂發小銃，極為劇烈”。攻擊中，大迫旅團前鋒步兵第十八聯隊聯隊長佐藤正手腕被槍彈擊中，裹傷再戰，不久又被清兵炮彈彈片穿透左膝關節，被抬下戰場。
日軍不斷增加兵力，戰鬥更趨於激烈。但武威軍不顧傷亡，與日軍決死拚殺，“左、右營接戰，中營繼之，傷亡雖多，士氣仍壯，縱橫蕩決，力不稍疲。”戰鬥中，官兵損失漸重，營哨兩級軍官大多陣亡或帶傷，“左營餘總兵福章中傷坐地，猶持刀督戰，隨複炮中要害陣亡。右營沈提督寶堂兩臂中彈皆折，幫帶陳參將勝友戰死。中營總哨弁亦傷。士卒傷亡猶眾。”
日軍又用上了榴霰彈猛烈射擊，掩護大隊步兵潮水一樣突進，試圖合圍清軍。“忽賊另支圍我駐紮之所，前後受敵。賊黨（日軍）愈積愈厚，伏首鑽進，炮雨橫飛。大營肖總兵有元中炮傷重，左哨、右哨、正(哨)、副哨弁登時陣亡，衛隊哨弁重傷，親兵傷亡過半，萬難力遏，突圍且戰且退。”[ 《魏光燾稟》，《甲午戰爭有關折奏史料》]魏光燾軍炮兵營官重傷，哨長竟全部陣亡。武威軍寡不敵眾，傷亡劇增，又失去了炮兵支援，近中午時，也隻好退入市街繼續抵抗。