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日軍四路衝進牛莊市街。雙方隨即陷入了激烈而殘酷的巷戰。
清軍據守民房向外射擊，頑強抵抗，敵軍紛紛倒地。靠近者也被冷不丁衝出的清軍刀劈槍刺，連逃回的機會都沒有。日軍發現衝鋒皆毫無效果，便改變戰術，派工兵用炸藥破壞牆壁，與清軍逐屋爭奪。
最後，日軍又發現穿牆破壁攻擊清軍，槍械裝備優勢根本發揮不出來，付出的代價太大，便開始瘋狂縱火，將牛莊燒成一片火海。有的地方則推近火炮，逐屋轟擊，最後，大火延及清軍彈藥庫，引起爆炸。
雙方官兵就在熊熊火海中來回拚殺、爭奪。
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武威軍血戰牛莊之時，李光久心急如焚，未及商量，火速率老湘軍自三台子回援。
前敵營務處晏安瀾聞訊，在中途迎著老湘軍。本想勸止，李光久反約晏安瀾同救牛莊。晏安瀾考慮，自己相當於海城前線的總指揮，決不能擅去，否則海城前線便可能崩潰，“我去，則諸營散，大局不堪問。公能保牛莊，我尚思下海城也。”[ 金兆豐《晏海澄先生年譜》，見《中日戰爭》]決心分兵救援牛莊，其餘仍按計劃攻擊海城。
實際上，這種情況下，清軍能與海城對峙，防止日軍再出來向清軍捅上一刀，也是對牛莊的支援。再說，能阻住日軍出來就不錯了，哪有餘力攻擊。
李光久獨自率軍趕往牛莊。“士卒疾行二十餘裏，至牛莊，未及造飯，已被圍。”遭到阻擊之後，李光久才弄清牛莊外圍防線已經被敵衝破，武威軍正退守市街。
先救魏光燾吧。李光久立即命各營分為二路向莊內進擊，前、左兩營為右路，向關帝廟等處攻入，右、後兩營為左路，向海神廟等處攻入，中營及馬步小隊為中路，向牛莊土城一帶攻入，試圖殺開一條血路，與武威軍會合。
李光久率老湘軍突入重圍，立即陷入巷戰，被日軍層層阻擊，冒著“槍炮雨密”，血戰竟日，“各街口被賊縱火，斷我出路。”老湘軍官兵也傷亡漸增。後營管帶提督譚桂林衝至海神廟前，忽遇大股日軍竄出，“頭中炮子，登時陣亡”。左營管帶提督賀長發傷腹甚重。前營幫帶提督鄧敬財“督隊力戰，胸膛中炮陣亡”。中營遊擊王得誌“右手傷重，伏往複力戰，旋即陣亡”。
當地官員守土有責，參加了反攻戰鬥。知縣黃光楚、雲騎尉謝克鬆等“各率親兵往來策應，俱力戰陣亡”。[ 《幫辦軍務湖南巡撫吳大澂奏報牛莊失事情形並查明陣亡員弁請交部議折》，《清光緒朝中日交涉史料》]
這些記載，可以清楚表明清軍在牛莊血戰中，其英勇頑強程度不輸給敵軍。
清軍付出了巨大代價，所幸，戰至日落以後，在李光久增援衝擊下，魏光燾也率殘部衝開敵陣，與李光久各從牛莊西區突圍而出。
斷後的一部清軍仍在市街繼續與敵膠著，寧死不退。
入夜以後，日軍由北而南，逐家搜索。牛莊市內，“路旁伏屍相枕”。據日方記錄，死者共二千一百餘人。
此仗武威軍“陣亡900餘人”，老湘軍“陣亡700餘人”，這個報告實為減員數字，包含被俘失蹤者，日軍記錄為俘清軍300人。據此計算，清軍實際陣亡者約1400人，另700餘死者，實際皆是平民，將近死者的三分之一。
侵略者殊為可恨，每至一處，擅殺平民，已成習慣。凶殘橫暴程度，百年之後仍令人發指。
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日軍還分出第三師團，對魏、李兩軍進行追擊。
清軍退卻三十裏，天已昏黑，日軍仍然瘋狗一樣急追不舍。到一村時，李光久下令停下，“駐此再戰！”
軍士立刻利用村中矮牆，架起抬槍，伏擊日軍一個“回馬槍”。
果然，日軍追至，猝然響槍，被斃傷多人。黑夜之中不辯虛實，果如李光久所料，再也不敢追擊，收兵退去。
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牛莊之戰，慘烈異常。對清軍來說，這是一次以弱抵強的戰鬥。
日軍進攻的兵力合計一萬一千八百餘人。而清軍防守部隊為魏光燾武威軍六營三哨和李光久老湘軍五營二哨，共六千人，僅及日軍兵力之半。但清軍的戰鬥精神，卻讓日軍感到遇到了強有力的對手，不得不稱讚武威軍“其能久與日軍交鋒者為武威軍，奮死決戰，力守至一晝夜，實清軍中所罕睹也。”[ 橋本海關 《清日戰爭實記》]
魏光燾在此戰後不久，便被任命總統遼東湘鄂諸軍（清史記載“二月癸亥，命吳大澂解軍務幫辦來京，湘、鄂諸軍以魏光燾領之”），更後來，魏光燾曆任巡撫和多地總督，成為繼張之洞、劉坤一之後的重臣，晚清政治、軍事、外交上的重要曆史人物，自應不是泛泛得來的。
李光久聞警後率老湘軍回援，發現敵人已攻入牛莊，但仍奮然決然，殺入重圍，“直前搏戰，兵已陷入死地，無不以一當百”，也應青史留芳。
甲午大清敗績，當條約簽訂時，長沙城內一位憤激青年譚嗣同，聞之捶胸長恨，感憤於湘軍在甲午戰爭中的無功，又對國人不能同仇敵愾而痛心疾首，大呼“甲午的戰敗，實是我們湖南人害國家的。”其實，牛莊之戰，湘軍麵對強虜，不惜肝腦塗地，表現了英勇無畏的愛國精神和慷慨壯烈的英雄氣概，有此一戰，足慰國人。
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與第一軍襲擊牛莊同時，日軍第二軍第一師團與按照事先約定，開始出動，準備攻占營口。
這是前邊所說日軍作戰大計劃中，隱藏的那隻手。
本來，乃木希典率第一旅團占據大石橋，與清軍在大平山戰鬥之後，暫未西進。
當麵，清軍宋慶部仍駐紮老爺廟、薑家房（江家房）、東西白廟子，部分人馬推進到西七裏溝、小大平山等村，與日軍相持。
看地圖就清楚了，清軍重兵正好處於大石橋與營口之間。僅乃木一個旅團，一時並無力量發展進攻。
第一師團按照計劃，將第二旅團調到大石橋，等全師團集地完畢，進攻營口的計劃，卻實際上已經被清軍偵知。
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說到營口，這裏已經是一個國際口岸。
當年（1858年）清政府與英法訂立《天津條約》，英法可能對中國還不太熟悉，要求中國開放牛莊為通商口岸。條約定了，卻發現牛莊遠離海岸，隻有遼河的一條小小的支流在旁邊經過，根本不能行船。英法實地查看後，就賴裏八唧地在遼河入海口、靠近海邊的營口建港卸貨，營口逐漸發展成了列強在東北的重要通商口岸。