三月三日上午七時，日軍第五師團從湯崗子山發。奧保鞏命大島義昌為前衛司令官先行，自率師團主力繼後。前衛包括步兵第九旅團第二十一聯隊第一大隊、第三大隊、騎兵一小隊及山炮一個中隊；師團主力包括步兵第十旅團第二十二聯隊第一大隊、第二大隊，步兵第九旅團第二十一聯隊第二大隊，步兵第九旅團第十一聯隊第一大隊，山炮一個大隊，以及野炮一個中隊和工兵一個中隊。並令騎兵第五大隊獨立執行遠距離搜索任務。當夜，第五師團宿營於牛莊以東約四十裏的崔家莊附近。
與此同時，日軍第三師團也向牛莊方向進發。大迫尚敏所部為前衛，從金家台開拔，經普賴屯到達牛莊以東二十餘裏的古城子，原作為前衛的大島久直所部改隸於師團主力，由將軍屯進至牛莊以東約三十裏的耿家莊子，步兵第六旅團第十九聯隊第三大隊為右翼支隊，由林太一郎少佐率領，在師團主力之右側行進。另以步兵第七聯隊第二大隊(大隊長富永政利少佐)為鞍山站支隊，步兵第十九聯隊第二大隊(大隊長小原芳次郎少佐)為賓山子支隊，共同對遼陽方向實行警戒。
三月四日是預定的日本第一軍第三、第五兩師團合攻牛莊之日。進攻前，野津道貫為了鼓舞土氣，特許各部隊“自由徵集物資”，並“盡可能地犒勞士兵”。實際上是暗示允許士兵任意奸淫擄掠。他還訓誡桂太郎，奧保鞏要“盡可能避免正麵進攻，努力進逼敵軍側麵”。注1根據野津的布置，第五師團自紫方屯沿大道前進，進逼牛莊的東北麵；第三師團離開大道，繞到牛莊以北，進逼牛莊的西北麵，並切斷清軍向營口的退路。於是，奧保鞏命令富岡(三造)聯隊攻牛莊北麵，大島(義昌)旅團攻牛莊東北麵；桂太郎命令佐藤(正)聯隊攻牛莊北麵，大島(久直)旅團攻牛莊西北麵。部署既定，日軍便開始了對牛莊的進攻。
當時，駐守牛莊的清軍僅魏光燾的武威軍六營三哨。先是魏光燾統武威軍駐三台子，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，劉樹元統親軍六營駐四台子，皆距海城不遠。四將連日會商反攻海城事宜，“皆以牛莊為後路，僅駐武威一營，而不慮其抄襲我後者”。三月二日，諸將商定於明日進攻海城。正籌劃間，忽接探報：“賊馬隊七十、步隊數千，繞出耿莊子、古城子而去，恐襲牛莊也。”注2至是，魏光燾始率軍趕回。牛莊是一座沒有城牆的市鎮，不易防守，清軍便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。魏光燾將僅有的兵力進行了布置：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。
三月四日拂曉，日軍第五師團先向牛莊發起了攻擊。奧保鞏在牛莊以東約二裏的紫方屯指揮，命大島義昌率前衛進攻牛莊的東北角，前衛所屬的山炮中隊排列於紫方屯西北端，炮擊清軍陣地的突出部分。前衛步兵在炮火的掩護下向太平橋前進。武威軍前、後兩營士兵“伏河溝間，恃土牆為障，誘賊及近”注3，暫不還擊。日軍步兵第二十一聯隊奧山(義章)大隊行進在前，首先接近清軍陣地。“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。”注4奧山大隊處於開闊地帶，無隱蔽之處，傷亡甚眾，土氣為之沮喪。大島義昌立命森祗敬少佐率步兵第二十一聯隊第一大隊繼進。大島本人及步兵第二十一聯隊長武田秀山大佐親自“奔馳於各戰鬥部隊之間，激勵土卒”。作為第五師團預備隊的一個大隊和第一軍總預備隊的一個大隊也都投入了戰鬥。一位目睹這場激戰的日本隨軍記者寫道：“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。”注5但是，清軍決不稍屈，“環擊斃賊甚夥”注6，擋住了敵人的進攻。
奧保鞏見進攻受阻，便命令田唯一少佐率步兵第二十二聯隊第一大隊直撲清軍右翼，聯隊長富岡三造中佐率其餘部隊繼進。今田、富岡等督隊向木頭橋進逼。“彈丸雨下，炮聲如雷，硝煙冥濛，咫尺不辨。忽有一彈飛穿今田少佐咽喉，少佐死之。”今田唯一曾參加平壤之役和進攻摩天嶺的戰鬥，在日本軍隊裏以“勇敢”著稱，即將晉升中佐，而終於在侵略戰爭中喪命。富岡見今田已死，“大怒，欲以復仇，益鼓舞諸兵突進”。清軍才兩個營，剛頂住日軍從左翼來的進攻，又遭到日軍從右翼來的猛撲，左支右絀，難以招架。此時，日軍“勢如奔潮”注7，“麇聚螺集”，清軍“馬步肉薄鏖戰”。在激烈的肉搏中，“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。”注8武威軍前、後兩營退人市街後，繼續據民房堅守。時為中午十二時半。
日軍第三師團的行動較遲。是日上午七時，第三師團前衛佐藤聯隊，在大迫尚敏指揮下從古城子出發，進至牛莊以北約三裏的邢家窩棚。第三師團主力也從耿莊子前來會合。上午十時，桂太郎令大迫尚敏從北方，大島久直從西方，分別進攻牛莊。柴田正孝炮兵大佐指揮炮兵在邢家窩棚到牛莊北口凹道兩側的高地占領陣地，各排列火炮十二門，齊向牛莊猛轟。在炮火的掩護下，佐藤正率部從凹道中間急進。清軍將日軍“吸引至最佳射擊距離”注9，“俄據民家土壁亂發小銃，極為劇烈”。佐藤手腕被槍彈所中，自以巾裹傷，“令兵土唱軍歌而進，勢頗壯烈，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節，門司(和太郎)少佐代率其大隊。”注10日軍步兵第十八聯隊長佐藤正兩次負傷，被抬下戰場，使日軍的銳氣大挫。
與此同時，日軍第三師團也向牛莊方向進發。大迫尚敏所部為前衛，從金家台開拔，經普賴屯到達牛莊以東二十餘裏的古城子，原作為前衛的大島久直所部改隸於師團主力，由將軍屯進至牛莊以東約三十裏的耿家莊子，步兵第六旅團第十九聯隊第三大隊為右翼支隊，由林太一郎少佐率領，在師團主力之右側行進。另以步兵第七聯隊第二大隊(大隊長富永政利少佐)為鞍山站支隊，步兵第十九聯隊第二大隊(大隊長小原芳次郎少佐)為賓山子支隊，共同對遼陽方向實行警戒。
三月四日是預定的日本第一軍第三、第五兩師團合攻牛莊之日。進攻前，野津道貫為了鼓舞土氣，特許各部隊“自由徵集物資”，並“盡可能地犒勞士兵”。實際上是暗示允許士兵任意奸淫擄掠。他還訓誡桂太郎，奧保鞏要“盡可能避免正麵進攻，努力進逼敵軍側麵”。注1根據野津的布置，第五師團自紫方屯沿大道前進，進逼牛莊的東北麵；第三師團離開大道，繞到牛莊以北，進逼牛莊的西北麵，並切斷清軍向營口的退路。於是，奧保鞏命令富岡(三造)聯隊攻牛莊北麵，大島(義昌)旅團攻牛莊東北麵；桂太郎命令佐藤(正)聯隊攻牛莊北麵，大島(久直)旅團攻牛莊西北麵。部署既定，日軍便開始了對牛莊的進攻。
當時，駐守牛莊的清軍僅魏光燾的武威軍六營三哨。先是魏光燾統武威軍駐三台子，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，劉樹元統親軍六營駐四台子，皆距海城不遠。四將連日會商反攻海城事宜，“皆以牛莊為後路，僅駐武威一營，而不慮其抄襲我後者”。三月二日，諸將商定於明日進攻海城。正籌劃間，忽接探報：“賊馬隊七十、步隊數千，繞出耿莊子、古城子而去，恐襲牛莊也。”注2至是，魏光燾始率軍趕回。牛莊是一座沒有城牆的市鎮，不易防守，清軍便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。魏光燾將僅有的兵力進行了布置：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。
三月四日拂曉，日軍第五師團先向牛莊發起了攻擊。奧保鞏在牛莊以東約二裏的紫方屯指揮，命大島義昌率前衛進攻牛莊的東北角，前衛所屬的山炮中隊排列於紫方屯西北端，炮擊清軍陣地的突出部分。前衛步兵在炮火的掩護下向太平橋前進。武威軍前、後兩營士兵“伏河溝間，恃土牆為障，誘賊及近”注3，暫不還擊。日軍步兵第二十一聯隊奧山(義章)大隊行進在前，首先接近清軍陣地。“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。”注4奧山大隊處於開闊地帶，無隱蔽之處，傷亡甚眾，土氣為之沮喪。大島義昌立命森祗敬少佐率步兵第二十一聯隊第一大隊繼進。大島本人及步兵第二十一聯隊長武田秀山大佐親自“奔馳於各戰鬥部隊之間，激勵土卒”。作為第五師團預備隊的一個大隊和第一軍總預備隊的一個大隊也都投入了戰鬥。一位目睹這場激戰的日本隨軍記者寫道：“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。”注5但是，清軍決不稍屈，“環擊斃賊甚夥”注6，擋住了敵人的進攻。
奧保鞏見進攻受阻，便命令田唯一少佐率步兵第二十二聯隊第一大隊直撲清軍右翼，聯隊長富岡三造中佐率其餘部隊繼進。今田、富岡等督隊向木頭橋進逼。“彈丸雨下，炮聲如雷，硝煙冥濛，咫尺不辨。忽有一彈飛穿今田少佐咽喉，少佐死之。”今田唯一曾參加平壤之役和進攻摩天嶺的戰鬥，在日本軍隊裏以“勇敢”著稱，即將晉升中佐，而終於在侵略戰爭中喪命。富岡見今田已死，“大怒，欲以復仇，益鼓舞諸兵突進”。清軍才兩個營，剛頂住日軍從左翼來的進攻，又遭到日軍從右翼來的猛撲，左支右絀，難以招架。此時，日軍“勢如奔潮”注7，“麇聚螺集”，清軍“馬步肉薄鏖戰”。在激烈的肉搏中，“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。”注8武威軍前、後兩營退人市街後，繼續據民房堅守。時為中午十二時半。
日軍第三師團的行動較遲。是日上午七時，第三師團前衛佐藤聯隊，在大迫尚敏指揮下從古城子出發，進至牛莊以北約三裏的邢家窩棚。第三師團主力也從耿莊子前來會合。上午十時，桂太郎令大迫尚敏從北方，大島久直從西方，分別進攻牛莊。柴田正孝炮兵大佐指揮炮兵在邢家窩棚到牛莊北口凹道兩側的高地占領陣地，各排列火炮十二門，齊向牛莊猛轟。在炮火的掩護下，佐藤正率部從凹道中間急進。清軍將日軍“吸引至最佳射擊距離”注9，“俄據民家土壁亂發小銃，極為劇烈”。佐藤手腕被槍彈所中，自以巾裹傷，“令兵土唱軍歌而進，勢頗壯烈，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節，門司(和太郎)少佐代率其大隊。”注10日軍步兵第十八聯隊長佐藤正兩次負傷，被抬下戰場，使日軍的銳氣大挫。