在甲午战争中，清军在平壤、九连城等地一败再败，其败退主力为淮军。清廷认为淮军不可用，决心启用沉寂已久的湘军。
1895年2月11日，湘军23营人马共计一万多人抵达辽河下游田庄台，会同前期驻守此地的清军，共计3.3万余人，对日军占领的海城发起第三次进攻。目的是为议和增加筹码，其次是牵制日军第一军，为北洋水师的危局能挽回一点生机。（当天北洋水师已经大势已去，但是朝廷和东北这边还不知道。）
正在清军围攻海城之际，日军制定了一个扫荡计划，“佯攻辽阳，实取牛庄”，意图用主力兵力迂回侧后，占领清军后方的后勤基地牛庄，对围攻海城的清军形成包围之势。
不得不说日军的这招“围魏救赵”非常巧妙，可惜的是清军还蒙在鼓里，未能对战事全局做出判断，这就为后面的惨败埋下了伏笔。
牛庄地处海城以西25公里，是清军运送粮食弹药以及饷银的战略要地。但是清军疏于防范，在牛庄“仅驻武威一营”。当时有探子报告日军动向：“贼马队七十、步队数千，绕出耿庄子、古城子而去，恐袭牛庄也。”结果大部分清军将领还不相信。
结果牛庄驻守的清军疏于防范，等到日军逼近之时，才手忙脚乱的进行防御准备。因牛庄周围一片平地，无城墙可收，清军指挥官魏光焘命令步兵紧急垒起一尺厚的胸墙，作为防御。并在庄内各院墙上凿出射击孔。
3月3日，日军第3师团和第5师团从两个方向出发，分进合击牛庄。到4日上午7时，日军各部抵达牛庄外围。
8时整，日军用野炮12门，山炮12门轰击清军牛庄阵地。炮轰过后，日军以第18联队用散兵线形式向牛庄发起冲锋。驻守清军纹丝不动，待敌军前进至100米时，枪炮齐发，瞬时打死打伤日军100多人，联队长佐藤重伤被抬下战场。第18联队遭到开战以来前所未有之重创。
日军仗着人多示众，采用多路冲击的方法冲入牛庄，和清军展开激烈的巷战。目睹这场激战的日本随军记者写道：“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”，“弹丸纷飞如雨，硝烟暗澹蔽空”，战斗异常激烈。
清军虽然被突入牛庄的日军包围分割，但是死战不退，以庄内各院为据点，进行奋勇的抵抗，双方犬牙交错在一起，战况异常惨烈。
至日落时，清军还在牛庄城东北郅兴隆烧锅和城西牛庄衙门坚守。其中驻守烧锅的清军，有序施放排枪，毫无畏惧之色。日军屡次冲锋均告失败，后来利用工兵，将院墙炸开两个大洞，烧锅才告失陷。
入夜后，各处清军仍在抵抗，日军死伤惨重，直到拂晓才宣布占领牛庄。清军大部受伤战死，少数突围而出。
这次战斗，日军共动用了13个大队和若干骑兵、炮兵中队，共计1万2千余人。而防守的清军仅12营，5700余人。
损失方面，清军阵亡1000余人，负伤700余人，被俘698人。日军也死伤近400人。更为严重的是，清军在牛庄的后勤基地被日军占领，库存的毛瑟快枪1500余支、枪弹151万发、大小炮19门、火药1648箱及马匹衣粮等重要军资，均被日军缴获。在战斗中，清军遗弃大炮24门，步枪1800余只，子弹39万余发，炮弹700余发，以及大批粮秣、马匹和辎重。
牛庄之战，导致在东北的清军实力大损，后勤辎重遭到严重损失。牛庄之战后，清军在东北攻势停滞，无力再战，而日军这边由于国内局势动荡，也无法将战争继续下去，只好议和谈判。
牛庄之战，乃是湘军最后一战，成为悲壮的绝唱，后来袁世凯小站练兵，组建新军，湘军便退出了历史舞台。
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