牛庄之战虽历时一昼夜，却是甲午战争以来最为惨烈的巷战。对清军来说，是以弱抵强的殊死鏖战。据统计，日军投入进攻有步兵13个大队、骑兵4个中队，炮兵8个中队、工兵3个中队，合计11800余人，火炮59门。而防守的清军为魏光焘武威军六营三哨和李光久老湘军五营二哨，共12营5700人，不及敌半数，火炮更不足10门。
战斗之初，武威军以3300人独力抗击近四倍于己之敌。魏光焘“以孤军血战，短衣匹马，挺刃向前，督战苦斗，三易坐骑”，“裹创蹀血”，表现十分出色。在主帅的感召下，许多将士负伤不下火线，坚持英勇抗敌直至牺牲。连日人也不得不由衷赞道：“其能久与日军交锋者为武威军，奋死决战，力守至一昼夜，实清军中所罕睹也。”李光久闻警后率老湘军2400人回援，这时敌已攻入牛庄，但清军仍“直前搏战，兵已陷入死地，无不以一当百”。这两支新老湘军面对强虏，毫无惧色，不惜肝脑涂地。其英勇无畏的爱国精神和慷慨壮烈的英雄气概，足以动天地而泣鬼神!但因众寡悬殊，军械不齐，遭受重大伤亡。魏光焘军阵亡900余人，伤300余人;李光久军“阵亡七百余人，内受伤三百八十余名”，计阵亡1000余人，负伤700余人，被俘698人。营、哨官伤亡几尽，统帅魏光焘、李光久幸免遇难。日方记载谓，以优势兵力，“经过一昼夜激烈巷战，于五日才勉强占领牛庄”。“勉强”二字，实为新老湘军英勇搏战强敌的真实写照。后人评论该战，“湘军虽败，威名不挫”。
日军为攻占牛庄，也付出伤亡达398人的重大代价，其中第5师团毙命今田唯一少佐以下29人，伤将校8人、士兵109人;第3师团战死18联队中队长新保正大尉以下41人，伤佐藤正大佐以下将校6人、士兵196人，其中仅第18联队就战死30人、伤174人。鉴于牛庄巷战苦战的教训，第1军在4天后竟灭绝人性地火烧退守田台庄民宅的清军，致守军遇难2000余人，田台庄全归乌有。牛庄库存的毛瑟快枪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，均被劫掠。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。据日军战报，第3师团俘获军官5人、兵213人、马匹229人，缴获抬枪13只、步枪1136支、炮10门、炮弹7000发、子弹22.6万、火药55桶、旗101、刀53把、杂粮1376石、糙米593石、马蹄银36块、铜钱75贯目。第5师团第21联队仅消耗子弹10333发、第22联队消耗9670发、骑兵第5大队消耗500发。
3月4日夜，第3师团长桂太郎自北郊阵地进入牛庄城内，宿营于米店;其所属第5旅团宿营于牛庄城北郊，混城第6旅团宿营于牛庄城南。至零时30分，第3师团向田庄台进犯，第5师团向高坎一线集结，准备与南路第2军第1师团会合后进犯营口，牛庄仅留守备队。
牛庄失守的当天，帮办东征军务吴大澄匆匆从驻地田庄台经大洼、双台子奔往石山站。“沿途溃勇络绎，其势已成瓦解”。总兵刘树元部“动辄挥军退遁，炮位全行抛弃”，吴元恺统带的炮队“未经战阵，亦相率而退”。吴大澄的弟子晏安澜也随军连夜撤逃，“雪月相映，人马相杂”，大有凄然之感。5日晨，驻营口的宋庆主力也奉命撤至田庄台，致营口告陷。是日，亲军中营营官洪贞祥向吴大澄建议：“倭人得牛庄，必不守，当扑宋庆军，且计海城之倭当倾巢出矣。今夜乘虚返捣牛庄，必得手，诚能夺归牛庄，可长驱直捣海城，纵未必克，倭必返顾，可纾宋庆之急，所谓出不意攻必救也”。这是一个很好的建议，吴大澄坚决不听，由此失去了避实捣虚、奇袭牛庄的机会。吴大澄随即得知牛庄失守，吓得魂飞魄散，“弃冠脱剑”，连夜逃走，各将领之部亦不战而溃。这样，营口失去与其互为犄角之势，造成营口守军孤军无援，田庄台战役的失败结局早已注定。