牛莊，地處海城以西25公里，西通錦州、山海關(guān)，南聯(lián)營口、田莊臺(tái)，為營口、田莊臺(tái)的后路，是清軍運(yùn)送糧餉兵械的要道，適逢“各軍糧臺(tái)輜重盡在牛莊”。先是魏光燾統(tǒng)武威軍6營3哨駐三臺(tái)子，徐邦道統(tǒng)拱衛(wèi)軍11營駐柳公屯，李光久統(tǒng)老湘軍5營駐三臺(tái)子中陽堡，劉樹元統(tǒng)親軍6營駐四臺(tái)子、榆樹堡、大堡壘，“皆以牛莊為后路，僅駐武威一營”。3月2日，諸將商定于明日進(jìn)攻海城。正籌劃間，忽接探報(bào)：“賊馬隊(duì)七十、步隊(duì)數(shù)千，繞出耿莊子、古城子而去，恐襲牛莊也?！闭犞?，眾皆不信，疑為奸細(xì)蠱惑，一致堅(jiān)信日軍指向遼陽方面，“而不慮其抄襲我后者”。而駐牛莊的余壽武營直至戰(zhàn)前一日尚不知大敵當(dāng)前，經(jīng)偵察才敢確認(rèn)。魏光燾聞?dòng)嵢哲娪砂吧秸疽源蠊沈T兵乘虛直搗清軍后路牛莊時(shí)，才率軍于3日晨8時(shí)折回，其他各軍仍遠(yuǎn)在海城前線。該鎮(zhèn)無城墻可守，周圍一片平地，清軍聚屯莊內(nèi)。魏光燾深知惡戰(zhàn)降至，擇市街的入口處緊急搶筑一尺厚的土墻，以此為一線工事，并在鎮(zhèn)內(nèi)利用高大官衙和民房為防御掩體，在其院內(nèi)四周墻壁上開鑿槍眼，以此作節(jié)節(jié)御敵的復(fù)城，為進(jìn)而巷戰(zhàn)之備。魏光燾將僅有的兵力布置為：左、右、中三營防守西北面;前、后兩營防守東北面;自率大營炮隊(duì)、馬隊(duì)及衛(wèi)隊(duì)防守中路。

3月3日7時(shí)，第5師團(tuán)自湯崗子出發(fā)，奧保鞏命大島義昌為前衛(wèi)司令官先行，自率師團(tuán)主力繼后。前衛(wèi)以混成第9旅團(tuán)第21聯(lián)隊(duì)第1、3大隊(duì)及騎兵1小隊(duì)、山炮第2大隊(duì)第4中隊(duì)。師團(tuán)主力為：第10旅團(tuán)第22聯(lián)隊(duì)第1、2大隊(duì)，混成第9旅團(tuán)第21聯(lián)隊(duì)第2大隊(duì)，第11聯(lián)隊(duì)第1大隊(duì)及炮兵第5聯(lián)隊(duì)山炮第1大隊(duì)、野炮中隊(duì)，工兵第5大隊(duì)第1中隊(duì)。并令騎兵第5大隊(duì)獨(dú)立執(zhí)行遠(yuǎn)距離搜索任務(wù)。第5師團(tuán)當(dāng)晚進(jìn)至牛莊以東45里的崔家莊附近宿營。

與此同時(shí)，第3師團(tuán)也向牛莊方向進(jìn)發(fā)。大迫尚敏率第5旅團(tuán)為前衛(wèi)，從金家臺(tái)開拔，經(jīng)普賴屯到達(dá)牛莊以東20余里的古城子，原作為前衛(wèi)的大島久直所率第6旅團(tuán)改隸于師團(tuán)主力，由將軍屯進(jìn)至牛莊以東約30里的耿家莊子，第6旅團(tuán)第19聯(lián)隊(duì)第3大隊(duì)為右翼支隊(duì)，在師團(tuán)主力之右側(cè)行進(jìn)。另以第7聯(lián)隊(duì)第2大隊(duì)為鞍山站支隊(duì)，第19聯(lián)隊(duì)第2大隊(duì)為賓山子支隊(duì)，共同對(duì)遼陽方向?qū)嵭芯洹?/p>

3月3日，為鼓舞士氣，第1軍司令官野津道貫特許各部戰(zhàn)前“自由征集物資”和“盡可能地犒勞士兵”。實(shí)則暗許任意奸淫擄掠。并訓(xùn)誡各部“盡可能避免正面進(jìn)攻，努力進(jìn)逼敵軍側(cè)面”。根據(jù)其布置，第5師團(tuán)自紫方屯沿大道前進(jìn)，進(jìn)逼牛莊的東北面;第3師團(tuán)離開大道，繞到牛莊以北，進(jìn)逼牛莊西北面，并切斷守軍向營口的退路。其中，奧保鞏命第10旅團(tuán)22聯(lián)隊(duì)攻牛莊北面;大島義昌旅團(tuán)主力攻牛莊東北面;桂太郎命第5旅團(tuán)18聯(lián)隊(duì)為前衛(wèi)，攻牛莊北面;大島久直旅團(tuán)主力攻牛莊西北面。4日7時(shí)，大迫尚敏指揮下的佐藤聯(lián)隊(duì)從古城子出發(fā)，于牛莊以北約3里的邢家窩坊與耿莊子開來的第3師團(tuán)主力會(huì)合。9時(shí)，桂太郎令大迫尚敏部從正北方，大島久直部從西方進(jìn)攻牛莊。

8時(shí)15分，步兵第18聯(lián)隊(duì)第3大隊(duì)尖兵搶占邢家窩坊要地，隨即掩護(hù)野炮兵第3聯(lián)隊(duì)(欠4個(gè)中隊(duì))占領(lǐng)邢家窩坊至牛莊北口的凹道兩側(cè)陣地，將6匹馬牽引的野炮12門、馬馱之山炮12門各排列在兩側(cè)3尺高地，向牛莊密施以排炮猛轟。9時(shí)30分，魏光燾令炮兵予以還擊，并利用城北口約40米處的民舍修補(bǔ)土墻作為堡壘設(shè)伏，誘敵深入。在炮火掩護(hù)下，大迫尚敏督率第18聯(lián)隊(duì)長佐藤正所部成散兵線，以牛島少佐率第3大隊(duì)為前鋒從凹道中間發(fā)起沖鋒。10時(shí)30分，18聯(lián)隊(duì)主力聯(lián)合并進(jìn)。10時(shí)40分，守軍將第3大隊(duì)一線的第9、12中隊(duì)“吸引至最佳射擊距離”100米時(shí)，“俄據(jù)民家土壁亂發(fā)小銃，極為劇烈”。此刻，日軍處于“平坦開闊地面，毫無地形地物隱蔽”的被動(dòng)挨打境地，“死傷非鮮”。“逼近城北端之家屋”，清軍繼續(xù)用猛烈炮火攻擊，聯(lián)隊(duì)護(hù)旗兵一死三傷，佐藤正手腕被槍彈所中，自以巾裹傷，“令兵士唱軍歌而進(jìn)，勢(shì)頗壯烈，兵士爭先突出。清兵不屈，頻射大小炮彈，片傷佐藤大佐左膝關(guān)節(jié)，門司(和太郎)少佐代率其大隊(duì)?！甭?lián)隊(duì)長佐藤正兩次受創(chuàng)，被抬下戰(zhàn)場，中隊(duì)長新保正大尉重傷斃命，步兵中尉巖本績、川口金之助、兒玉象一郎等以下負(fù)傷100余人，使所向無敵的開路先鋒第18聯(lián)隊(duì)遭遇甲午戰(zhàn)爭以來前所未有的損失，銳氣大挫。

大迫尚敏見前鋒作戰(zhàn)不利，便令第2大隊(duì)援擊，戰(zhàn)斗更趨激烈。11時(shí)10分，第8中隊(duì)在炮火掩護(hù)下，攻占一線獨(dú)立家屋據(jù)點(diǎn)，中島少佐率第9、12中隊(duì)投入右翼。11時(shí)20分，第6中隊(duì)加強(qiáng)第3大隊(duì)右翼，展開攻勢(shì)，奪獲山炮2門，第7、8中隊(duì)各一部攻取耶穌教堂。7分鐘后，第3大隊(duì)各中隊(duì)突入我陣地，雙方近戰(zhàn)肉搏。據(jù)魏光燾報(bào)稱：“左、右營接戰(zhàn)，中營繼之，賊以排槍炸炮抵死抗拒，彈如雨點(diǎn);我軍以劈山炮洋槍對(duì)擊。土卒中彈者如墻而倒。前虛后進(jìn)，賤之為我擊斃者尤眾。故傷亡雖多，士氣仍壯，縱橫蕩決，力不稍疲。左營余總兵福章中傷坐地，猶持刀督戰(zhàn)，隨復(fù)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(zhàn)死。中營總哨弁亦傷。土卒傷亡猶眾?！薄昂鲑\另支圍我駐扎之所，前后受敵。本前司(魏光燾自稱)親督死拒，無奈賊黨愈積愈厚，伏首鉆進(jìn)，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(shí)陣亡，衛(wèi)隊(duì)哨弁重傷，親兵傷亡過半，萬難力遏，突圍且戰(zhàn)且退?！痹谖汗鉅c的指揮下，武威軍“頑強(qiáng)抵抗，接戰(zhàn)格斗，”終因眾寡懸殊，傷亡殆盡。戰(zhàn)至11時(shí)30分，第3大隊(duì)第9中隊(duì)一部及第10中隊(duì)突入城北神社，隨即大隊(duì)主力分路突進(jìn)，城北清軍反擊失利，被迫退入街區(qū)巷繼續(xù)抵抗。13時(shí)，石田玉珍少佐率擔(dān)任預(yù)備隊(duì)的第18聯(lián)隊(duì)第1大隊(duì)第2、4中隊(duì)投入左翼，擴(kuò)大戰(zhàn)果。

10時(shí)20分，牛莊西面的第3師團(tuán)第6旅團(tuán)以第19聯(lián)隊(duì)第1大隊(duì)為預(yù)備隊(duì)，以3個(gè)步兵大隊(duì)擔(dān)任突擊。10時(shí)40分，第7聯(lián)隊(duì)第1大隊(duì)為右翼，第3大隊(duì)為左翼，從邢家窩坊以西3里的二軒家向牛莊進(jìn)發(fā)，趁雙方主力激戰(zhàn)正北及東北方而無暇西顧之際，以神速襲占天主教堂為目標(biāo)。第19聯(lián)隊(duì)第3大隊(duì)隨右翼跟進(jìn)，騎兵第3大隊(duì)負(fù)責(zé)側(cè)后警戒。12時(shí)20分，第1大隊(duì)從西北突入，第3大隊(duì)攻入西門，林太一郎少佐率第19聯(lián)隊(duì)第3大隊(duì)從西北大迂回疾馳到牛莊西南，射擊從此突圍的守軍，并扼守至營口及田莊臺(tái)的大道。12時(shí)30分，粟飯?jiān)笞袈实?9聯(lián)隊(duì)第1大隊(duì)及工兵大隊(duì)進(jìn)抵牛莊西北端，作隨時(shí)應(yīng)援之備。

3月4日，第5師團(tuán)按預(yù)定計(jì)劃繼續(xù)向牛莊靠近。進(jìn)攻序列是：大島義昌所率前衛(wèi)隊(duì)不變，原屬主力的步兵第21聯(lián)隊(duì)山口少佐的第2大隊(duì)(欠第6中隊(duì))和大江大尉的野炮中隊(duì)、平城中尉的騎兵小隊(duì)組成左翼隊(duì)，向西迂回到牛莊至營口大道上，掩護(hù)側(cè)翼及搜索警戒，并切斷牛莊清軍的退路。11時(shí)10分，配屬前衛(wèi)隊(duì)的山炮中隊(duì)搶占紫方屯西北端，炮擊清軍的突出陣地。隨即師團(tuán)部進(jìn)駐牛莊以東1公里的紫方屯，就近指揮。11時(shí)20分，步兵第21聯(lián)隊(duì)在炮火掩護(hù)下向牛莊東北方陣地進(jìn)攻，奧山義章少佐的第3大隊(duì)(欠第10中隊(duì))為第一線。武威軍前、后兩營士兵利用數(shù)百米的開闊地，在城區(qū)內(nèi)設(shè)墻堡，或在房屋的墻壁上挖槍眼，“伏河溝間，恃土墻為障，誘賊及近，”暫不還擊。待敵近前，百槍齊射，6門加特林速射炮猛烈開火。剎那間，處于一線開闊地帶的奧山大隊(duì)563人，無隱蔽之處，戰(zhàn)死達(dá)19人，傷68人，士氣為之沮喪。大島義昌命森祗敬少佐率第1大隊(duì)(欠第4中隊(duì)及第1中隊(duì)的2個(gè)小隊(duì))及第10中隊(duì)進(jìn)攻紫方屯西端。大島及步兵第21聯(lián)隊(duì)長武田秀山大佐親自“奔馳于各戰(zhàn)斗部隊(duì)之間，激勵(lì)土卒”。清軍“伏河溝間，恃土墻為障誘賊及近，”再行還擊。11時(shí)40分，第3大隊(duì)突破一線陣地。此刻，日軍的山炮中隊(duì)、野炮中隊(duì)在紫方屯西南端占領(lǐng)陣地。11時(shí)55分，師團(tuán)預(yù)備隊(duì)渡邊大隊(duì)(欠第5、8中隊(duì))、竹田工兵中隊(duì)，及軍總預(yù)備隊(duì)的仙渡大隊(duì)也相繼加入該線作戰(zhàn)。一位目睹這場激戰(zhàn)的日本隨軍記者寫道：“此時(shí)，槍炮聲如百雷齊鳴，萬獅齊吼，震耳欲聾。數(shù)百云朵在牛莊上空飄游，是我軍發(fā)射的榴霰彈在空中爆炸，煙霞浮動(dòng)于楊柳深處，是敵軍發(fā)炮后的余煙”，“彈丸紛飛如雨，硝煙暗澹蔽空”，戰(zhàn)斗異常激烈。據(jù)統(tǒng)計(jì)，僅野戰(zhàn)炮第5聯(lián)隊(duì)就發(fā)射榴彈17發(fā)、榴霰彈213發(fā)。但清軍毫不稍屈，“環(huán)擊斃賊甚伙”，誓死擋住了攻勢(shì)。

奧保鞏見進(jìn)攻受阻，急令田唯一少佐率步兵第22聯(lián)隊(duì)第1大隊(duì)直撲清軍右翼。12時(shí)15分，聯(lián)隊(duì)長富岡三造中佐率主力繼進(jìn)，意圖從東關(guān)木橋突破。橋東地勢(shì)平坦，毫無掩遮?！皬椡栌晗?，炮聲如雷，硝煙冥蒙，咫尺不辨。忽有一彈飛穿今田少佐咽喉，少佐死之?！苯裉镂ㄒ辉鴧⒓悠饺乐酆瓦M(jìn)攻摩天嶺的戰(zhàn)斗，素以“勇敢”著稱，即將晉升中佐，終而喪命。大隊(duì)由佐佐木大尉指揮。富岡三造“大怒，欲以復(fù)仇，益鼓舞諸兵突進(jìn)”。清軍才兩營，剛頂住左翼的進(jìn)攻，又遭右翼的猛撲，左支右絀，難以招架。此時(shí)，日軍“勢(shì)如奔潮”，“麇聚螺集”，清軍“馬步肉搏鏖戰(zhàn)”。“前營龍總兵恩思項(xiàng)頭及足重傷，扶送附近民房躺臥，所部仍抵死拒戰(zhàn)。后營羅副將吉亮，傷頦及足，幫帶魏游擊極富陣亡。羅副將督戰(zhàn)不休，裹入賊圍，仍于槍林彈雨中沖出戰(zhàn)地。”戰(zhàn)至12時(shí)30分，日軍第22聯(lián)隊(duì)以戰(zhàn)死9人，傷39人的代價(jià)，第1大隊(duì)第1、2中隊(duì)終于越過木橋，第3、4中隊(duì)從橋東北方攻入街區(qū)。武威軍前、后兩營退人市街后，繼續(xù)據(jù)民房堅(jiān)守。至此，在兩個(gè)師團(tuán)的合力猛攻下，清軍牛莊外圍全被攻破，陣地具失，戰(zhàn)斗轉(zhuǎn)入街區(qū)。稍后，第5師團(tuán)長奧保鞏在參謀、副官的簇?fù)肀Ｗo(hù)下，來到牛莊城外的獨(dú)立家屋，師團(tuán)本部暫時(shí)駐此。

在牛莊城東郊戰(zhàn)斗中，第5師團(tuán)第21聯(lián)隊(duì)奪得清軍加特林炮6門、第22聯(lián)隊(duì)奪得山炮2門，至此守軍僅有的少量火炮盡失。

午后，第3師團(tuán)第5旅團(tuán)從牛莊城東北和北面，混成第6旅團(tuán)從西北三個(gè)方向;第5師團(tuán)混成第9旅團(tuán)從東北和步兵第22聯(lián)隊(duì)由東面，四路攻入牛莊街市，雙方展開了激烈巷戰(zhàn)?；鞈?zhàn)中清軍退路被切斷，失去統(tǒng)一指揮，被優(yōu)勢(shì)敵軍分割包圍成幾十個(gè)戰(zhàn)斗集團(tuán)，多則幾百人，少則數(shù)十人，各自為戰(zhàn)，進(jìn)行分散抵抗。日軍也劃分成中隊(duì)、小隊(duì)為單位的幾十股，與清軍混戰(zhàn)，并以工兵逐屋穿墻破進(jìn)?！俺莾?nèi)到處發(fā)生激烈的巷戰(zhàn)，……各隊(duì)相互錯(cuò)綜，戰(zhàn)況復(fù)雜”。

1時(shí)30分，第22聯(lián)隊(duì)第3中隊(duì)及第1中隊(duì)1小隊(duì)，首先從北面沖入鎮(zhèn)內(nèi)，清軍50余人據(jù)一民房“抵抗甚為頑固”，最后全部殉國。日軍即以左右迂回，繼續(xù)搜索。有百余名清軍在一大院內(nèi)，利用外圍石墻作誓死堅(jiān)守，日軍多次進(jìn)攻均被擊退，且“死傷頗多”。日軍無計(jì)可施，15時(shí)令工兵用100多公斤的地雷炸藥，分三次埋在圍墻下，用炸藥引爆地雷，將圍墻轟塌，大久保中尉率第3中隊(duì)沖入院內(nèi)。此前，清軍子彈用盡，用墻上的磚石打擊敵人，士氣不妥。同時(shí)，第6旅團(tuán)分兵繞至牛莊城西南部進(jìn)攻，營官黃某率部分清軍在當(dāng)鋪內(nèi)守御抵抗。該當(dāng)鋪系清軍火藥庫，外面圍砌厚實(shí)的磚墻，“宏偉堅(jiān)固，如一城郭，除西北一門以外，其他各門均以磚石堵塞”。大島久直令步兵第7聯(lián)隊(duì)2個(gè)大隊(duì)圍攻，“欲破其門，清兵以銃狙擊，且門壁堅(jiān)牢不能破。適有放火西面者，內(nèi)藤(新一郎)大隊(duì)亦燒其旁近家屋，猛火焰焰起于二方，清兵尚無屈色。日軍即欲穿外圍墻壁以入其內(nèi)，清兵叢射益力，不能進(jìn)。因又穿一大孔于家屋外壁，開路而入，清兵已退據(jù)內(nèi)壁，內(nèi)壁亦堅(jiān)固，不可輒破?！?6時(shí)10分，第1大隊(duì)長派2名當(dāng)?shù)厝巳雰?nèi)勸降未果，30分鐘后再投擲勸降書，得到的卻是“猛烈射擊”。17時(shí)15分，見最后的勸降未能奏效，便在東西兩側(cè)民房縱火。清軍在熊熊烈火和滾滾濃煙中堅(jiān)持抵抗，“毫不少屈”。18時(shí)10分，聯(lián)隊(duì)長三好成行大佐見久攻不破，即調(diào)兩門山炮轟擊彈藥庫，致其起火爆炸，子彈橫飛，守庫清軍大部犧牲。隨后，日軍攻入街區(qū)十字路口處，遭遇扼守路口西南、東南二角建筑物的清軍猛烈交叉射擊，戰(zhàn)斗呈膠著狀態(tài)，敵我混雜，異常激烈。

第5師團(tuán)在侵占牛莊城東北諸外圍后，繼續(xù)向街區(qū)進(jìn)犯。混成第9旅團(tuán)第21聯(lián)隊(duì)長武田大佐督率第1、3大隊(duì)，經(jīng)兩個(gè)多小時(shí)的反復(fù)沖殺，才奪取城東一線陣地。但清軍“仍然據(jù)民房死守”，日軍屢攻不克。經(jīng)多次沖鋒，才奪取數(shù)處據(jù)點(diǎn)。15時(shí)40分，守軍在敵眾我寡的不利形勢(shì)下，退守太平橋以東的郅興隆燒鍋和牛莊衙門內(nèi)，拼死抵抗，致使日軍死傷累累，中途不得不停止進(jìn)攻。

3月4日16時(shí)許，正在魏光燾所部武威軍與日軍戰(zhàn)至“鼓衰力竭之際”，湘軍第一悍將李續(xù)賓之子、道員李光久率老湘軍五營2400人從海城前線馳援牛莊。是日晨，李光久率部自三臺(tái)子西行。晏安瀾聞?dòng)?，迎于中途。李光久約晏安瀾同救牛莊，勸曰：“海城已無克復(fù)期，胡為郁郁久居此?”晏安瀾答曰：“我去，則諸營散，大局不堪問。公能保牛莊，我尚思下海城也。”由于諸將意見不一，李光久只得獨(dú)自率軍趕往牛莊?！笆孔浼残卸嗬铮僚Ｇf，未及造飯，已被圍。”至是，李光久始知牛莊外圍防線被敵沖破，武威軍正退守市街。當(dāng)即分兵三路，“以前左營為右路，向關(guān)帝廟等處攻入，以右后營為左路，向海神廟等處攻入，以中營及馬步小隊(duì)為中路，向牛莊土城一帶攻入?！崩舷孳姟耙贿M(jìn)街口，即與該賊巷戰(zhàn)，斃賊無算，業(yè)已敗出街外，乃前賊敗退，后賊紛來，槍炮雨密。賊又從兩旁擁出，紛紛擊犯，勇與賊幾莫能辨。血戰(zhàn)竟日，各街口被賊縱火，斷我出路?！焙鬆I管帶提督譚桂林沖至海神廟前，忽遇大股日軍自教堂竄出，“頭中炮子，登時(shí)陣亡”。左營管帶提督賀長發(fā)傷腹甚重。前營幫帶提督鄧敬財(cái)“督隊(duì)力戰(zhàn)，胸膛中炮陣亡”。中營游擊王得志“右手傷重，伏往復(fù)力戰(zhàn)，旋即陣亡”。中營哨弁鄧漢南中炮斷掌，右哨哨弁周國堂、后營哨弁胡錫吉、都司鄧翔麟、左營幫帶提督陽厚德、都司殷成譜身受重傷，下落不明?！坝幸粻I官受傷不能戰(zhàn)，據(jù)地而坐，揮兵直前，竟斬日軍官一人”。大批當(dāng)?shù)氐奈穆毠賳T與湘軍并肩守土抗戰(zhàn)，知縣黃光楚、云騎尉謝克松、文童鄧汪匯、劉必蛟等“各率親兵往來策應(yīng)，俱力戰(zhàn)陣亡”，營務(wù)委員知縣李續(xù)祜督戰(zhàn)受重傷。

至日落前，日軍重點(diǎn)進(jìn)攻牛莊城東北郅興隆燒鍋和城西牛莊衙門。堅(jiān)守?zé)伒那遘?00多人據(jù)險(xiǎn)拼死抵抗，施放排槍，表現(xiàn)“最頑強(qiáng)，無屈色”。日軍以第3師團(tuán)第5旅團(tuán)第18聯(lián)隊(duì)、第5師團(tuán)第10旅團(tuán)第22聯(lián)隊(duì)和混成第9旅團(tuán)第21聯(lián)隊(duì)之各一部及工兵中隊(duì)將其圍困。第5師團(tuán)長奧保鞏親臨指揮，鑒于屢屢沖鋒受挫，“遂令各部停止射擊，由工兵中隊(duì)破壞其墻壁?！?7時(shí)，工兵中隊(duì)長竹田禎之助大尉率第3小隊(duì)前去爆破，用炸藥將厚0.6米、高3.5米的墻壁炸開一大豁口。但面對(duì)猛烈攻勢(shì)，清軍仍誓死堅(jiān)守，使敵不能前進(jìn)一步。日軍不得不組織再次爆破，第22聯(lián)隊(duì)所屬第3、4中隊(duì)首先沖入郅興隆燒鍋，才告占領(lǐng)。第22聯(lián)隊(duì)第2大隊(duì)渡邊述少佐率2個(gè)中隊(duì)雖于14時(shí)20分突破太平橋，但在梁家園附近陷入苦戰(zhàn)2小時(shí)，草木皆兵，請(qǐng)求調(diào)2個(gè)中隊(duì)援擊。第22聯(lián)隊(duì)半個(gè)大隊(duì)隔木頭橋與牛莊衙門的守軍對(duì)射，富岡中佐請(qǐng)求工兵小隊(duì)增援。如此遂屋爭奪，日軍每占領(lǐng)一座建筑物，都要付出沉重的代價(jià)。

雙方戰(zhàn)至日落，第1軍提前宣布占領(lǐng)牛莊，日軍停止進(jìn)攻。軍司令部進(jìn)抵紫方屯以南村落宿營。18時(shí)，第3師團(tuán)長桂太郎命第5旅團(tuán)一部護(hù)衛(wèi)野戰(zhàn)醫(yī)院，主力警戒牛莊北部;第6旅團(tuán)警戒牛莊西南部，控制至營口及田莊臺(tái)的大道;以第19聯(lián)隊(duì)第1大隊(duì)負(fù)責(zé)警戒牛莊西北，上述各部嚴(yán)防守軍突圍，并嚴(yán)格清剿仍據(jù)守的殘敵。18時(shí)30分，第5師團(tuán)長奧保鞏劃定了夜間警戒區(qū)域：前哨線在遼河左岸;第21聯(lián)隊(duì)以太平橋?yàn)橛乙恚阅绢^橋?yàn)樽笠?第22聯(lián)隊(duì)以木頭橋?yàn)橛乙?，左至柳屯橋，并?duì)這兩個(gè)區(qū)域?qū)嵭芯?。并?yán)令：“除萬不得已，不得進(jìn)行夜間射擊”。入夜，戰(zhàn)斗主要集中在第3師團(tuán)侵占的地域內(nèi)進(jìn)行。盡管師團(tuán)長桂太郎令“夜間攻擊只準(zhǔn)使用刺刀”，但槍炮聲依然不斷。拼死據(jù)守的清軍終因敵眾我寡，城區(qū)東北及西南的主要街道，均先后陷落?；斐傻?旅團(tuán)長大島久直妄圖全殲守軍，在牛莊城西面指揮第7聯(lián)隊(duì)突進(jìn)，沿大洋河一帶攻入城區(qū)，一部沿大道向北返，一部向南過橋與在通往營口大道上扼守清軍退路的第5師團(tuán)之山口大隊(duì)相接，完成合圍。

22時(shí)，魏光燾、李光久率部血戰(zhàn)至“子彈俱盡“，方放棄固守的牛莊衙門，由牛莊城西分散向田臺(tái)莊突圍而出，途中遭到混成第6旅團(tuán)截?fù)?，雙方戰(zhàn)斗激烈，清軍傷亡40余人。李光久率殘部300人仍在距牛莊15公里處組織伏擊戰(zhàn)。是時(shí)，日軍急追，李光久令軍士曰：“駐此再戰(zhàn)!”軍士曰：“死亡已多，僅數(shù)百人，尚可戰(zhàn)乎?”李曰：“可!坍墻甚多，吾列幟而俟，藏抬槍于短墻后，兵士少，以槍管前架短墻，后以兩人持之，熱藥尚可排擊。彼不知我眾寡，地勢(shì)甚便，不可失也。若戰(zhàn)勝，彼必不追!不然盡力擒矣!”眾以為然。日兵追至中伏，乃退。

日軍防微杜漸，在各街口要道縱火，切斷清軍退路，“我軍肝腦涂地，慘死萬狀”。夜間，巷戰(zhàn)不息，尚未突出的清軍仍在繼續(xù)戰(zhàn)斗，到處槍聲不絕。3月5日拂曉，幾十名清軍在巷戰(zhàn)中曾一度攻入木頭橋頭，對(duì)日軍哨兵射擊，并從數(shù)處墻壁后冷槍襲敵，迫使第5師團(tuán)長奧保鞏急令各部回援師團(tuán)部。稍后，第1軍司令官野津道貫也率軍部與第5師團(tuán)司令部會(huì)合。戰(zhàn)至清晨，殘存守軍傷亡殆盡，牛莊失守。

日軍占領(lǐng)牛莊后，“執(zhí)劍挨戶搜查，殺人無算?！币蝗毡倦S軍記者描述當(dāng)時(shí)的景象說：“路旁伏尸相枕”，許多民房門前，“尸積成山，尸山之間流出幾條渾濁的血河”，“走進(jìn)門里院內(nèi)也堆滿了尸體”，牛莊淪為日寇殘殺的血泊之中。據(jù)日方調(diào)查，在牛莊市街的2100余名死者中，三分之一是無辜平民。日軍濫殺無辜，曾受到一些正直西方人士的鄙夷，指責(zé)其“如此縱殺，殊為殘酷”。