牛莊之戰雖歷時一晝夜，卻是甲午戰爭以來最爲慘烈的巷戰。對清軍來說，是以弱抵強的殊死鏖戰。據統計，日軍投入進攻有步兵13個大隊、騎兵4箇中隊，炮兵8箇中隊、工兵3箇中隊，合計11800餘人，火炮59門。而防守的清軍爲魏光燾武威軍六營三哨和李光久老湘軍五營二哨，共12營5700人，不及敵半數，火炮更不足10門。
戰鬥之初，武威軍以3300人獨力抗擊近四倍於己之敵。魏光燾“以孤軍血戰，短衣匹馬，挺刃向前，督戰苦鬥，三易坐騎”，“裹創蹀血”，表現十分出色。在主帥的感召下，許多將士負傷不下火線，堅持英勇抗敵直至犧牲。連日人也不得不由衷讚道：“其能久與日軍交鋒者爲武威軍，奮死決戰，力守至一晝夜，實清軍中所罕睹也。”李光久聞警後率老湘軍2400人回援，這時敵已攻入牛莊，但清軍仍“直前搏戰，兵已陷入死地，無不以一當百”。這兩支新老湘軍面對強虜，毫無懼色，不惜肝腦塗地。其英勇無畏的愛國精神和慷慨壯烈的英雄氣概，足以動天地而泣鬼神!但因衆寡懸殊，軍械不齊，遭受重大傷亡。魏光燾軍陣亡900餘人，傷300餘人;李光久軍“陣亡七百餘人，內受傷三百八十餘名”，計陣亡1000餘人，負傷700餘人，被俘698人。營、哨官傷亡幾盡，統帥魏光燾、李光久倖免遇難。日方記載謂，以優勢兵力，“經過一晝夜激烈巷戰，於五日才勉強佔領牛莊”。“勉強”二字，實爲新老湘軍英勇搏戰強敵的真實寫照。後人評論該戰，“湘軍雖敗，威名不挫”。
日軍爲攻佔牛莊，也付出傷亡達398人的重大代價，其中第5師團斃命今田唯一少佐以下29人，傷將校8人、士兵109人;第3師團戰死18聯隊中隊長新保正大尉以下41人，傷佐藤正大佐以下將校6人、士兵196人，其中僅第18聯隊就戰死30人、傷174人。鑑於牛莊巷戰苦戰的教訓，第1軍在4天后竟滅絕人性地火燒退守田臺莊民宅的清軍，致守軍遇難2000餘人，田臺莊全歸烏有。牛莊庫存的毛瑟快槍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，均被劫掠。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。據日軍戰報，第3師團俘獲軍官5人、兵213人、馬匹229人，繳獲擡槍13只、步槍1136支、炮10門、炮彈7000發、子彈22.6萬、火藥55桶、旗101、刀53把、雜糧1376石、糙米593石、馬蹄銀36塊、銅錢75貫目。第5師團第21聯隊僅消耗子彈10333發、第22聯隊消耗9670發、騎兵第5大隊消耗500發。
3月4日夜，第3師團長桂太郎自北郊陣地進入牛莊城內，宿營於米店;其所屬第5旅團宿營於牛莊城北郊，混城第6旅團宿營於牛莊城南。至零時30分，第3師團向田莊臺進犯，第5師團向高坎一線集結，準備與南路第2軍第1師團會合後進犯營口，牛莊僅留守備隊。
牛莊失守的當天，幫辦東征軍務吳大澄匆匆從駐地田莊臺經大窪、雙臺子奔往石山站。“沿途潰勇絡繹，其勢已成瓦解”。總兵劉樹元部“動輒揮軍退遁，炮位全行拋棄”，吳元愷統帶的炮隊“未經戰陣，亦相率而退”。吳大澄的弟子晏安瀾也隨軍連夜撤逃，“雪月相映，人馬相雜”，大有悽然之感。5日晨，駐營口的宋慶主力也奉命撤至田莊臺，致營口告陷。是日，親軍中營營官洪貞祥向吳大澄建議：“倭人得牛莊，必不守，當撲宋慶軍，且計海城之倭當傾巢出矣。今夜乘虛返搗牛莊，必得手，誠能奪歸牛莊，可長驅直搗海城，縱未必克，倭必返顧，可紓宋慶之急，所謂出不意攻必救也”。這是一個很好的建議，吳大澄堅決不聽，由此失去了避實搗虛、奇襲牛莊的機會。吳大澄隨即得知牛莊失守，嚇得魂飛魄散，“棄冠脫劍”，連夜逃走，各將領之部亦不戰而潰。這樣，營口失去與其互爲犄角之勢，造成營口守軍孤軍無援，田莊臺戰役的失敗結局早已註定。
