เมื่อเสียแชมป์โลกไปแล้ว เมืองชัยกลับมาอุ่นเครื่องอีก 2 ครั้ง ก่อนที่จะก้าวขึ้นมาชิงแชมป์โลกอีกครั้งกับนักมวยรุ่นพี่อย่าง สด จิตรลดา ซึ่งมวยคู่นี้เป็นที่สนใจอย่างมากของแฟนมวย เนื่องจากเป็นการพบกันระหว่างนักมวยไทยด้วยกันเอง และทั้งคู่ก็เคยมีเทรนเนอร์คนเดียวกันมาก่อน คือ สุดใจ สัพพะเลข ก่อนการชกหลายฝ่ายคาดคิดว่า สดน่าจะเป็นฝ่ายชนะไปได้ เนื่องจากมีฝีมือดีกว่าและประสบการณ์สูงกว่า แต่เมื่อได้ชกกันจริง ๆ บนเวทีแล้ว เมืองชัยกลับอาศัยสภาพร่างกายที่ดีกว่าเป็นฝ่ายชนะน็อกโดยเทคนิค​สดไปได้ในยกที่ 6 ในต้นปี พ.ศ. 2534 ได้แชมป์โลกในรุ่นฟลายเวท ของสภามวยโลก (WBC) เป็นตำแหน่งที่ 2 และเป็นนักมวยไทยคนแรกที่ได้เป็นแชมป์โลก 2 รุ่น

ในการป้องกันตำแหน่งแชมป์ครั้งแรกของเมืองชัย เกือบจะแพ้ เมื่อตลอดทั้ง 12 ยก เป็นฝ่ายมีคะแนนตามหลัง ชัง ช็อน-กู นักมวยชาวเกาหลีใต้ตลอด โดน ชัง ช็อน-กู ชกนับได้หลายครั้ง ก่อนที่จะฮึดมาเอาชนะน็อก ชัง ช็อน-กู ไปได้ชนิดที่เหลือเวลาเพียงไม่กี่วินาทีก็จะสิ้นสุดการชกอยู่แล้ว

เมืองชัยป้องกันตำแหน่งแชมป์ไว้ได้ 3 ครั้ง รวมทั้งย้ำแค้นเอาชนะน็อกสด จิตรลดา ได้อีกครั้งในยกที่ 9 ก่อนจะเดินทางไปแพ้น็อกยก 6 กับ ยูริ อาร์บาชาค็อฟ นักมวยชาวรัสเซียที่ประเทศญี่ปุ่น เสียแชมป์ไปในกลางปี พ.ศ. 2535 และได้มีโอกาสแก้มืออีกครั้งกับอาร์บาชาค็อฟ ในปีถัดต่อ แต่ก็เป็นฝ่ายแพ้น็อกโดยเทคนิค​ไปอีกครั้งในยกที่ 9 ที่จังหวัดลพบุรี