清军态势
当时属湘军系统的除驻摩天岭的陈湜军10营外，在山海关内外还有湘、楚、皖军计80余营。1895年1月27日，李光久的老湘军5营、魏光焘的武威军6营、刘树元的亲兵6营、吴元恺的楚军炮队4营、谭表忠的护军及郭长云的辽队各1营，计23营3哨万余人，拥有各种枪支4600支，随吴大澄先期浩荡出关，于2月11日抵辽河下游的田庄台。作为甲午开战以来最大一次出兵，清政府认为“现在关外大军云集，各营枪械亦齐，声威已壮”，“亟应联络各营，鼓励士卒，齐心并力，迅速克服海城。”清军之所以连续两度反攻海城均告失利，仍不遗余力地急于规复该地的动机所在，一是企图牵制进攻山东的日军第1军，缓和对北洋舰队的威胁，二则给正在广岛的议和争得一点地位，遂在生力军进驻后，集合94营3.3万余人发起对海城第三次反攻。
日军态势
在清军组织第三次反攻海城期间，侵入辽东的日军第1军司令官野津道贯新任伊始，于2月16日电请大本营提出“辽河平原扫荡作战”方案，以期越过辽河进犯山海关，实现“作战大方针”的第二期作战计划。此举符合大本营“期待着四月解冻，在直隶平原地方决战”，从而实现与侵入山东半岛的第2军南北夹击，一举打败清军，进而直取北京的野心，因此得到大本营批准。大体内容如下：第1军第5师团主力由凤凰城、九连城一带西进，以主力“扫荡”辽阳东南的三家子、兴隆沟、吉洞峪一带，然后侵占鞍山站;原盘踞在海城的第3师团主力突破清军海城北、西防线，“扫荡”鞍山站附近清军。尔后，两师团会合于鞍山站，合力进攻牛庄，再与驻复州、盖平一线之第2军第1师团共同向营口进犯。以期于3月上旬完成对牛庄、营口的占领。野津道贯将其自鸣得意地概括为“佯攻辽阳，实取牛庄”之策。
2月28日拂晓，第3师团从海城北犯，伊克唐阿和长顺军从海城退保辽阳。日军兵锋直抵鞍山，适逢屯驻海城西部的湘、淮军正在集议如何援辽，经研究认为“攻海城即援辽阳”。3月2日，第3、5师团轻取鞍山后，野津道贯即对辽南形势做了充分估计：若日军由鞍山站继续北进，把清军包围于辽阳并不难，但这将违背大本营所批准的辽河平原作战方案，因此仍应按原计划向牛庄进军。3月3日是清明，天晴气暖，适于行军。据探报，清军在牛庄的兵力无几，正可以优势袭取之。兵贵神速，他决定以清明节作为第一军进攻牛庄的出发日。是日晨，第1军兵分两路，以第5师团为左纵队，第3师团为右纵队，同时向牛庄进犯。