午后，第3師團(tuán)第5旅團(tuán)從牛莊城東北和北面，混成第6旅團(tuán)從西北三個方向；第5師團(tuán)混成第9旅團(tuán)從東北和步兵第22聯(lián)隊由東面，四路攻入牛莊街市，雙方展開了激烈巷戰(zhàn)?；鞈?zhàn)中清軍退路被切斷，失去統(tǒng)一指揮，被優(yōu)勢敵軍分割包圍成幾十個戰(zhàn)斗集團(tuán)，多則幾百人，少則數(shù)十人，各自為戰(zhàn)，進(jìn)行分散抵抗。日軍也劃分成中隊、小隊為單位的幾十股，與清軍混戰(zhàn)，并以工兵逐屋穿墻破進(jìn)。“城內(nèi)到處發(fā)生激烈的巷戰(zhàn)，……各隊相互錯綜，戰(zhàn)況復(fù)雜

1時30分，第22聯(lián)隊第3中隊及第1中隊1小隊，首先從北面沖入鎮(zhèn)內(nèi)，清軍50余人據(jù)一民房“抵抗甚為頑固”，最后全部殉國。日軍即以左右迂回，繼續(xù)搜索。有百余名清軍在一大院內(nèi)，利用外圍石墻作誓死堅守，日軍多次進(jìn)攻均被擊退，且“死傷頗多”。日軍無計可施，15時令工兵用100多公斤的地雷炸藥，分三次埋在圍墻下，用炸藥引爆地雷，將圍墻轟塌，大久保中尉率第3中隊沖入院內(nèi)。此前，清軍子彈用盡，用墻上的磚石打擊敵人，士氣不妥。同時，第6旅團(tuán)分兵繞至牛莊城西南部進(jìn)攻，營官黃某率部分清軍在當(dāng)鋪內(nèi)守御抵抗。該當(dāng)鋪系清軍火藥庫，外面圍砌厚實的磚墻，“宏偉堅固，如一城郭，除西北一門以外，其他各門均以磚石堵塞”。大島久直令步兵第7聯(lián)隊2個大隊圍攻，“欲破其門，清兵以銃狙擊，且門壁堅牢不能破。適有放火西面者，內(nèi)藤(新一郎)大隊亦燒其旁近家屋，猛火焰焰起于二方，清兵尚無屈色。日軍即欲穿外圍墻壁以入其內(nèi)，清兵叢射益力，不能進(jìn)。因又穿一大孔于家屋外壁，開路而入，清兵已退據(jù)內(nèi)壁，內(nèi)壁亦堅固，不可輒破?！?6時10分，第1大隊長派2名當(dāng)?shù)厝巳雰?nèi)勸降未果，30分鐘后再投擲勸降書，得到的卻是“猛烈射擊”。17時15分，見最后的勸降未能奏效，便在東西兩側(cè)民房縱火。清軍在熊熊烈火和滾滾濃煙中堅持抵抗，“毫不少屈”。18時10分，聯(lián)隊長三好成行大佐見久攻不破，即調(diào)兩門山炮轟擊彈藥庫，致其起火爆炸，子彈橫飛，守庫清軍大部犧牲。隨后，日軍攻入街區(qū)十字路口處，遭遇扼守路口西南、東南二角建筑物的清軍猛烈交叉射擊，戰(zhàn)斗呈膠著狀態(tài)，敵我混雜，異常激烈。

第5師團(tuán)在侵占牛莊城東北諸外圍后，繼續(xù)向街區(qū)進(jìn)犯?；斐傻?旅團(tuán)第21聯(lián)隊長武田大佐督率第1、3大隊，經(jīng)兩個多小時的反復(fù)沖殺，才奪取城東一線陣地。但清軍“仍然據(jù)民房死守”，日軍屢攻不克。經(jīng)多次沖鋒，才奪取數(shù)處據(jù)點(diǎn)。15時40分，守軍在敵眾我寡的不利形勢下，退守太平橋以東的郅興隆燒鍋和牛莊衙門內(nèi)，拼死抵抗，致使日軍死傷累累，中途不得不停止進(jìn)攻。

3月4日16時許，正在魏光燾所部武威軍與日軍戰(zhàn)至“鼓衰力竭之際”，湘軍第一悍將李續(xù)賓之子、道員李光久率老湘軍五營2400人從海城前線馳援牛莊。是日晨，李光久率部自三臺子西行。晏安瀾聞訊，迎于中途。李光久約晏安瀾同救牛莊，勸曰：“海城已無克復(fù)期，胡為郁郁久居此？”晏安瀾答曰：“我去，則諸營散，大局不堪問。公能保牛莊，我尚思下海城也?！庇捎谥T將意見不一，李光久只得獨(dú)自率軍趕往牛莊?！笆孔浼残卸嗬铮僚Ｇf，未及造飯，已被圍。”至是，李光久始知牛莊外圍防線被敵沖破，武威軍正退守市街。當(dāng)即分兵三路，“以前左營為右路，向關(guān)帝廟等處攻入，以右后營為左路，向海神廟等處攻入，以中營及馬步小隊為中路，向牛莊土城一帶攻入?！崩舷孳姟耙贿M(jìn)街口，即與該賊巷戰(zhàn)，斃賊無算，業(yè)已敗出街外，乃前賊敗退，后賊紛來，槍炮雨密。賊又從兩旁擁出，紛紛擊犯，勇與賊幾莫能辨。血戰(zhàn)竟日，各街口被賊縱火，斷我出路。”后營管帶提督譚桂林沖至海神廟前，忽遇大股日軍自教堂竄出，“頭中炮子，登時陣亡”。左營管帶提督賀長發(fā)傷腹甚重。前營幫帶提督鄧敬財“督隊力戰(zhàn)，胸膛中炮陣亡”。中營游擊王得志“右手傷重，伏往復(fù)力戰(zhàn)，旋即陣亡”。中營哨弁鄧漢南中炮斷掌，右哨哨弁周國堂、后營哨弁胡錫吉、都司鄧翔麟、左營幫帶提督陽厚德、都司殷成譜身受重傷，下落不明?！坝幸粻I官受傷不能戰(zhàn)，據(jù)地而坐，揮兵直前，竟斬日軍官一人”。大批當(dāng)?shù)氐奈穆毠賳T與湘軍并肩守土抗戰(zhàn)，知縣黃光楚、云騎尉謝克松、文童鄧汪匯、劉必蛟等“各率親兵往來策應(yīng)，俱力戰(zhàn)陣亡”，營務(wù)委員知縣李續(xù)祜督戰(zhàn)受重傷。

至日落前，日軍重點(diǎn)進(jìn)攻牛莊城東北郅興隆燒鍋和城西牛莊衙門。堅守?zé)伒那遘?00多人據(jù)險拼死抵抗，施放排槍，表現(xiàn)“最頑強(qiáng)，無屈色”。日軍以第3師團(tuán)第5旅團(tuán)第18聯(lián)隊、第5師團(tuán)第10旅團(tuán)第22聯(lián)隊和混成第9旅團(tuán)第21聯(lián)隊之各一部及工兵中隊將其圍困。第5師團(tuán)長奧保鞏親臨指揮，鑒于屢屢沖鋒受挫，“遂令各部停止射擊，由工兵中隊破壞其墻壁。”17時，工兵中隊長竹田禎之助大尉率第3小隊前去爆破，用炸藥將厚0.6米、高3.5米的墻壁炸開一大豁口。但面對猛烈攻勢，清軍仍誓死堅守，使敵不能前進(jìn)一步。日軍不得不組織再次爆破，第22聯(lián)隊所屬第3、4中隊首先沖入郅興隆燒鍋，才告占領(lǐng)。第22聯(lián)隊第2大隊渡邊述少佐率2個中隊雖于14時20分突破太平橋，但在梁家園附近陷入苦戰(zhàn)2小時，草木皆兵，請求調(diào)2個中隊援擊。第22聯(lián)隊半個大隊隔木頭橋與牛莊衙門的守軍對射，富岡中佐請求工兵小隊增援。如此遂屋爭奪，日軍每占領(lǐng)一座建筑物，都要付出沉重的代價。

雙方戰(zhàn)至日落，第1軍提前宣布占領(lǐng)牛莊，日軍停止進(jìn)攻。軍司令部進(jìn)抵紫方屯以南村落宿營。18時，第3師團(tuán)長桂太郎命第5旅團(tuán)一部護(hù)衛(wèi)野戰(zhàn)醫(yī)院，主力警戒牛莊北部；第6旅團(tuán)警戒牛莊西南部，控制至營口及田莊臺的大道；以第19聯(lián)隊第1大隊負(fù)責(zé)警戒牛莊西北，上述各部嚴(yán)防守軍突圍，并嚴(yán)格清剿仍據(jù)守的殘敵。18時30分，第5師團(tuán)長奧保鞏劃定了夜間警戒區(qū)域：前哨線在遼河左岸；第21聯(lián)隊以太平橋為右翼，以木頭橋為左翼；第22聯(lián)隊以木頭橋為右翼，左至柳屯橋，并對這兩個區(qū)域?qū)嵭芯?。并?yán)令：“除萬不得已，不得進(jìn)行夜間射擊”。入夜，戰(zhàn)斗主要集中在第3師團(tuán)侵占的地域內(nèi)進(jìn)行。盡管師團(tuán)長桂太郎令“夜間攻擊只準(zhǔn)使用刺刀”，但槍炮聲依然不斷。拼死據(jù)守的清軍終因敵眾我寡，城區(qū)東北及西南的主要街道，均先后陷落?；斐傻?旅團(tuán)長大島久直妄圖全殲守軍，在牛莊城西面指揮第7聯(lián)隊突進(jìn)，沿大洋河一帶攻入城區(qū)，一部沿大道向北返，一部向南過橋與在通往營口大道上扼守清軍退路的第5師團(tuán)之山口大隊相接，完成合圍。

22時，魏光燾、李光久率部血戰(zhàn)至“子彈俱盡“，方放棄固守的牛莊衙門，由牛莊城西分散向田臺莊突圍而出，途中遭到混成第6旅團(tuán)截?fù)?，雙方戰(zhàn)斗激烈，清軍傷亡40余人。李光久率殘部300人仍在距牛莊15公里處組織伏擊戰(zhàn)。是時，日軍急追，李光久令軍士曰：“駐此再戰(zhàn)！”軍士曰：“死亡已多，僅數(shù)百人，尚可戰(zhàn)乎？”李曰：“可！坍墻甚多，吾列幟而俟，藏抬槍于短墻后，兵士少，以槍管前架短墻，后以兩人持之，熱藥尚可排擊。彼不知我眾寡，地勢甚便，不可失也。若戰(zhàn)勝，彼必不追！不然盡力擒矣！”眾以為然。日兵追至中伏，乃退。

日軍防微杜漸，在各街口要道縱火，切斷清軍退路，“我軍肝腦涂地，慘死萬狀”。夜間，巷戰(zhàn)不息，尚未突出的清軍仍在繼續(xù)戰(zhàn)斗，到處槍聲不絕。3月5日拂曉，幾十名清軍在巷戰(zhàn)中曾一度攻入木頭橋頭，對日軍哨兵射擊，并從數(shù)處墻壁后冷槍襲敵，迫使第5師團(tuán)長奧保鞏急令各部回援師團(tuán)部。稍后，第1軍司令官野津道貫也率軍部與第5師團(tuán)司令部會合。戰(zhàn)至清晨，殘存守軍傷亡殆盡，牛莊失守。

日軍占領(lǐng)牛莊后，“執(zhí)劍挨戶搜查，殺人無算?！币蝗毡倦S軍記者描述當(dāng)時的景象說：“路旁伏尸相枕”，許多民房門前，“尸積成山，尸山之間流出幾條渾濁的血河”，“走進(jìn)門里院內(nèi)也堆滿了尸體”，牛莊淪為日寇殘殺的血泊之中。據(jù)日方調(diào)查，在牛莊市街的2100余名死者中，三分之一是無辜平民。日軍濫殺無辜，曾受到一些正直西方人士的鄙夷，指責(zé)其“如此縱殺，殊為殘酷”。