清軍態勢
當時屬湘軍系統的除駐摩天嶺的陳湜軍10營外，在山海關內外還有湘、楚、皖軍計80餘營。1895年1月27日，李光久的老湘軍5營、魏光燾的武威軍6營、劉樹元的親兵6營、吳元愷的楚軍炮隊4營、譚表忠的護軍及郭長雲的遼隊各1營，計23營3哨萬餘人，擁有各種槍支4600支，隨吳大澄先期浩蕩出關，於2月11日抵遼河下游的田莊臺。作爲甲午開戰以來最大一次出兵，清政府認爲“現在關外大軍雲集，各營槍械亦齊，聲威已壯”，“亟應聯絡各營，鼓勵士卒，齊心併力，迅速克服海城。”清軍之所以連續兩度反攻海城均告失利，仍不遺餘力地急於規復該地的動機所在，一是企圖牽制進攻山東的日軍第1軍，緩和對北洋艦隊的威脅，二則給正在廣島的議和爭得一點地位，遂在生力軍進駐後，集合94營3.3萬餘人發起對海城第三次反攻。
日軍態勢
在清軍組織第三次反攻海城期間，侵入遼東的日軍第1軍司令官野津道貫新任伊始，於2月16日電請大本營提出“遼河平原掃蕩作戰”方案，以期越過遼河進犯山海關，實現“作戰大方針”的第二期作戰計劃。此舉符合大本營“期待着四月解凍，在直隸平原地方決戰”，從而實現與侵入山東半島的第2軍南北夾擊，一舉打敗清軍，進而直取北京的野心，因此得到大本營批准。大體內容如下：第1軍第5師團主力由鳳凰城、九連城一帶西進，以主力“掃蕩”遼陽東南的三家子、興隆溝、吉洞峪一帶，然後侵佔鞍山站;原盤踞在海城的第3師團主力突破清軍海城北、西防線，“掃蕩”鞍山站附近清軍。爾後，兩師團會合於鞍山站，合力進攻牛莊，再與駐復州、蓋平一線之第2軍第1師團共同向營口進犯。以期於3月上旬完成對牛莊、營口的佔領。野津道貫將其自鳴得意地概括爲“佯攻遼陽，實取牛莊”之策。
2月28日拂曉，第3師團從海城北犯，伊克唐阿和長順軍從海城退保遼陽。日軍兵鋒直抵鞍山，適逢屯駐海城西部的湘、淮軍正在集議如何援遼，經研究認爲“攻海城即援遼陽”。3月2日，第3、5師團輕取鞍山後，野津道貫即對遼南形勢做了充分估計：若日軍由鞍山站繼續北進，把清軍包圍於遼陽並不難，但這將違背大本營所批准的遼河平原作戰方案，因此仍應按原計劃向牛莊進軍。3月3日是清明，天晴氣暖，適於行軍。據探報，清軍在牛莊的兵力無幾，正可以優勢襲取之。兵貴神速，他決定以清明節作爲第一軍進攻牛莊的出發日。是日晨，第1軍兵分兩路，以第5師團爲左縱隊，第3師團爲右縱隊，同時向牛莊進犯。
