三月三日上午七时,日军第五师团从汤岗子山发。奥保巩命大岛义昌为前卫司令官先行,自率师团主力继后。前卫包括步兵第九旅团第二十一联队第一大队、第三大队、骑兵一小队及山炮一个中队;师团主力包括步兵第十旅团第二十二联队第一大队、第二大队,步兵第九旅团第二十一联队第二大队,步兵第九旅团第十一联队第一大队,山炮一个大队,以及野炮一个中队和工兵一个中队。并令骑兵第五大队独立执行远距离搜索任务。当夜,第五师团宿营于牛庄以东约四十里的崔家庄附近。
与此同时,日军第三师团也向牛庄方向进发。大迫尚敏所部为前卫,从金家台开拔,经普赖屯到达牛庄以东二十余里的古城子,原作为前卫的大岛久直所部改隶于师团主力,由将军屯进至牛庄以东约三十里的耿家庄子,步兵第六旅团第十九联队第三大队为右翼支队,由林太一郎少佐率领,在师团主力之右侧行进。另以步兵第七联队第二大队(大队长富永政利少佐)为鞍山站支队,步兵第十九联队第二大队(大队长小原芳次郎少佐)为宾山子支队,共同对辽阳方向实行警戒。
三月四日是预定的日本第一军第三、第五两师团合攻牛庄之日。进攻前,野津道贯为了鼓舞土气,特许各部队&ldo;自由征集物资&rdo;,并&ldo;尽可能地犒劳士兵&rdo;。实际上是暗示允许士兵任意奸淫掳掠。他还训诫桂太郎,奥保巩要&ldo;尽可能避免正面进攻,努力进逼敌军侧面&rdo;。注1根据野津的布置,第五师团自紫方屯沿大道前进,进逼牛庄的东北面;第三师团离开大道,绕到牛庄以北,进逼牛庄的西北面,并切断清军向营口的退路。于是,奥保巩命令富冈(三造)联队攻牛庄北面,大岛(义昌)旅团攻牛庄东北面;桂太郎命令佐藤(正)联队攻牛庄北面,大岛(久直)旅团攻牛庄西北面。部署既定,日军便开始了对牛庄的进攻。
当时,驻守牛庄的清军仅魏光焘的武威军六营三哨。先是魏光焘统武威军驻三台子,徐邦道统拱卫军十一营驻柳公屯,李光久统老湘军五营驻三台子中阳堡,刘树元统亲军六营驻四台子,皆距海城不远。四将连日会商反攻海城事宜,&ldo;皆以牛庄为后路,仅驻武威一营,而不虑其抄袭我后者&rdo;。三月二日,诸将商定于明日进攻海城。正筹划间,忽接探报:&ldo;贼马队七十、步队数千,绕出耿庄子、古城子而去,恐袭牛庄也。&rdo;注2至是,魏光焘始率军赶回。牛庄是一座没有城墙的市镇,不易防守,清军便在市街的入口处修筑‐道厚约一尺的土墙,并在市镇内利用官衙和民房的墙壁作为防御掩体。魏光焘将仅有的兵力进行了布置:左、右、中三营防守西北面;前、后两营防守东北面;大营炮队、马队及卫队防守中路。
三月四日拂晓,日军第五师团先向牛庄发起了攻击。奥保巩在牛庄以东约二里的紫方屯指挥,命大岛义昌率前卫进攻牛庄的东北角,前卫所属的山炮中队排列于紫方屯西北端,炮击清军阵地的突出部分。前卫步兵在炮火的掩护下向太平桥前进。武威军前、后两营士兵&ldo;伏河沟间,恃土墙为障,诱贼及近&rdo;注3,暂不还击。日军步兵第二十一联队奥山(义章)大队行进在前,首先接近清军阵地。&ldo;清兵改穿铳于屋壁,装填无烟火药以击,或备速射炮于凸角部,以急射炮邀击,如骤雨一时来注。&rdo;注4奥山大队处于开阔地带,无隐蔽之处,伤亡甚众,土气为之沮丧。大岛义昌立命森祗敬少佐率步兵第二十一联队第一大队继进。大岛本人及步兵第二十一联队长武田秀山大佐亲自&ldo;奔驰于各战斗部队之间,激励土卒&rdo;。作为第五师团预备队的一个大队和第一军总预备队的一个大队也都投入了战斗。一位目睹这场激战的日本随军记者写道:&ldo;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。&rdo;注5但是,清军决不稍屈,&ldo;环击毙贼甚伙&rdo;注6,挡住了敌人的进攻。
奥保巩见进攻受阻,便命令田唯一少佐率步兵第二十二联队第一大队直扑清军右翼,联队长富冈三造中佐率其余部队继进。今田、富冈等督队向木头桥进逼。&ldo;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。&rdo;今田唯一曾参加平壤之役和进攻摩天岭的战斗,在日本军队里以&ldo;勇敢&rdo;著称,即将晋升中佐,而终于在侵略战争中丧命。富冈见今田已死,&ldo;大怒,欲以复仇,益鼓舞诸兵突进&rdo;。清军才两个营,刚顶住日军从左翼来的进攻,又遭到日军从右翼来的猛扑,左支右绌,难以招架。此时,日军&ldo;势如奔潮&rdo;注7,&ldo;麇聚螺集&rdo;,清军&ldo;马步肉薄鏖战&rdo;。在激烈的肉搏中,&ldo;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,仍于枪林弹两中冲出战地。&rdo;注8武威军前、后两营退人市街后,继续据民房坚守。时为中午十二时半。
日军第三师团的行动较迟。是日上午七时,第三师团前卫佐藤联队,在大迫尚敏指挥下从古城子出发,进至牛庄以北约三里的邢家窝棚。第三师团主力也从耿庄子前来会合。上午十时,桂太郎令大迫尚敏从北方,大岛久直从西方,分别进攻牛庄。柴田正孝炮兵大佐指挥炮兵在邢家窝棚到牛庄北口凹道两侧的高地占领阵地,各排列火炮十二门,齐向牛庄猛轰。在炮火的掩护下,佐藤正率部从凹道中间急进。清军将日军&ldo;吸引至最佳射击距离&rdo;注9,&ldo;俄据民家土壁乱发小铳,极为剧烈&rdo;。佐藤手腕被枪弹所中,自以巾裹伤,&ldo;令兵土唱军歌而进,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。&rdo;注10日军步兵第十八联队长佐藤正两次负伤,被抬下战场,使日军的锐气大挫。