在甲午戰爭中，清軍在平壤、九連城等地一敗再敗，其敗退主力為淮軍。清廷認為淮軍不可用，決心啟用沉寂已久的湘軍。
1895年2月11日，湘軍23營人馬共計一萬多人抵達遼河下游田莊臺，會同前期駐守此地的清軍，共計3.3萬餘人，對日軍佔領的海城發起第三次進攻。目的是為議和增加籌碼，其次是牽制日軍第一軍，為北洋水師的危局能挽回一點生機。（當天北洋水師已經大勢已去，但是朝廷和東北這邊還不知道。）
正在清軍圍攻海城之際，日軍制定了一個掃蕩計劃，“佯攻遼陽，實取牛莊”，意圖用主力兵力迂迴側後，佔領清軍後方的後勤基地牛莊，對圍攻海城的清軍形成包圍之勢。
不得不說日軍的這招“圍魏救趙”非常巧妙，可惜的是清軍還矇在鼓裡，未能對戰事全局做出判斷，這就為後面的慘敗埋下了伏筆。
牛莊地處海城以西25公里，是清軍運送糧食彈藥以及餉銀的戰略要地。但是清軍疏於防範，在牛莊“僅駐武威一營”。當時有探子報告日軍動向：“賊馬隊七十、步隊數千，繞出耿莊子、古城子而去，恐襲牛莊也。”結果大部分清軍將領還不相信。
結果牛莊駐守的清軍疏於防範，等到日軍逼近之時，才手忙腳亂的進行防禦準備。因牛莊周圍一片平地，無城牆可收，清軍指揮官魏光燾命令步兵緊急壘起一尺厚的胸牆，作為防禦。並在莊內各院牆上鑿出射擊孔。
3月3日，日軍第3師團和第5師團從兩個方向出發，分進合擊牛莊。到4日上午7時，日軍各部抵達牛莊外圍。
8時整，日軍用野炮12門，山炮12門轟擊清軍牛莊陣地。炮轟過後，日軍以第18聯隊用散兵線形式向牛莊發起衝鋒。駐守清軍紋絲不動，待敵軍前進至100米時，槍炮齊發，瞬時打死打傷日軍100多人，聯隊長佐藤重傷被抬下戰場。第18聯隊遭到開戰以來前所未有之重創。
日軍仗著人多示眾，採用多路衝擊的方法衝入牛莊，和清軍展開激烈的巷戰。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”，“彈丸紛飛如雨，硝煙暗澹蔽空”，戰鬥異常激烈。
清軍雖然被突入牛莊的日軍包圍分割，但是死戰不退，以莊內各院為據點，進行奮勇的抵抗，雙方犬牙交錯在一起，戰況異常慘烈。
至日落時，清軍還在牛莊城東北郅興隆燒鍋和城西牛莊衙門堅守。其中駐守燒鍋的清軍，有序施放排槍，毫無畏懼之色。日軍屢次衝鋒均告失敗，後來利用工兵，將院牆炸開兩個大洞，燒鍋才告失陷。
入夜後，各處清軍仍在抵抗，日軍死傷慘重，直到拂曉才宣佈佔領牛莊。清軍大部受傷戰死，少數突圍而出。
這次戰鬥，日軍共動用了13個大隊和若干騎兵、炮兵中隊，共計1萬2千餘人。而防守的清軍僅12營，5700餘人。
損失方面，清軍陣亡1000餘人，負傷700餘人，被俘698人。日軍也死傷近400人。更為嚴重的是，清軍在牛莊的後勤基地被日軍佔領，庫存的毛瑟快槍1500餘支、槍彈151萬發、大小炮19門、火藥1648箱及馬匹衣糧等重要軍資，均被日軍繳獲。在戰鬥中，清軍遺棄大炮24門，步槍1800餘隻，子彈39萬餘發，炮彈700餘發，以及大批糧秣、馬匹和輜重。
牛莊之戰，導致在東北的清軍實力大損，後勤輜重遭到嚴重損失。牛莊之戰後，清軍在東北攻勢停滯，無力再戰，而日軍這邊由於國內局勢動盪，也無法將戰爭繼續下去，只好議和談判。
牛莊之戰，乃是湘軍最後一戰，成為悲壯的絕唱，後來袁世凱小站練兵，組建新軍，湘軍便退出了歷史舞臺。
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