陈牧农出生在湖南桑植，他早年便投身军旅，因表现出众而进入庐山中央军官训练团校尉班学习，一九二三年又迈入广州大本营军政部讲武学校，次年秋转入黄埔军校第一期，编入第 五 队进行学习。
在黄埔军校毕业之后，陈牧农随军参与北伐，曾历任连、营长、第 87 师副团长、首都卫戍总司令部宪兵团团长、警卫旅副旅长、第 九 师 二十三 旅旅长等职，一九三七年 五 月获授陆军少将衔。
全面抗日战争爆发后，陈牧农担任第 九师师长，率领所部参与了淞沪会战、徐州会战、武汉会战等诸多战役，立下赫赫战功，着实可称为一员抗日猛将。
一九四零 年 六月，陈牧农率领所部第 九师，进驻山西阳城。次年 三月，西线日寇牛岛师团由垣曲向东进行堵击；东线日寇谷寿夫师团自焦作攻占济源后，朝西封锁济垣公路。值此危急时刻，他虽带病指挥，依旧坚守阵地 五十余天。
师参谋处作战科长蔡熙建议即刻突围，躺在担架上正发着高烧的陈牧农依然坚持部署突围计划，但最终的两次突围都被日军猛烈的火力给压了回来。最后陈牧农改变突围方向，出其不意地率队趁夜黑向东行进，从日寇占领的济源城边成功突围，经由坡头泅渡黄河，成为国民党军队中最后一位退出山西战场的将领。
一九四二 年 八月，陈牧农师长率部入川，进驻綦江，晋升为 九十三军军长，并编入赴印作战序列，然而最终赴印之行中止。
一九四三 年 五月，日寇岗村宁次聚集二十余万兵力，发动了豫湘桂战役，九十三军被第四战区司令长官张发奎索要过去，驻守全州。
陈牧农于 七 月末进驻全县，到达后迅速构建防御工事。八月 十三 日，日本侵略军第 五十五 师团搜索队在全县军事名关进入大西江，与 九十三 军搜索营产生接触。这意味着这股日军快速进犯有可能截断守卫全州的第 九十三军向桂林方向撤退的后路。
陈牧农急忙将这一情况上报，九十三军乃是蒋介石的嫡系，为了保存实力，蒋介石致电张发奎，将之前坚守 五个月的军令改为了半个月。
八月 十四 日，日军第四十二师团自湖南新宁侵入全州县，与此同时，日军第 五十五师团主力自东安也来到全州县地界。第 九十三 军的处境甚是不妙，就在陈牧农急得火冒三丈之时，张发奎打来了电话：“炸毁库存武器弹药，向西南转进。”陈牧农将此事向蒋介石作了汇报，得到认可后他才大大松了口气。
然而，此事影响颇为重大，全州的失守致使广西北大门失守，严重影响了广西的战局，引发了极大的民愤，这个“锅”蒋介石必然不会去背，那么谁来背呢？战区司令张发奎肯定也不愿意背，得以保全的 九十三军是你老蒋的嫡系又非张发奎的。
陈牧农被张发奎派遣的军官接去柳州开会，没想到行至桂林，便被送到桂林守备司令部交由韦云淞执行枪决，此时他才知晓自己中了圈套，临刑前说道：“是张长官害了我“。
据小道消息，张发奎之弟，在驻守某地时，率部弃城逃跑，不战而退，陈牧农赞同蒋介石枪毙了张的弟弟。
陈牧农死后，蒋介石对陈牧农的家属颇为优待，抗战胜利前夕，蒋介石仍未忘却此事，指示侍从室主任钱大钧：“陈牧农遗族人数与其生活情形及有无领收抚恤等希查报为要”。由此可见，蒋介石心中也是怀有愧疚的。
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