1937年年底，日军侵占济南、淄博、潍坊一线。
1938年1月，日军兵分三路南下。矶谷第十师团沿津浦线侵占泰安、曲阜、济宁。其109旅团侵占博山、莱芜、新泰。板垣第五师团在海军陆战队配合下登陆侵占青岛。
1938年2月，李宗仁命于学忠第三集团军以主力东渡运河攻击济宁矶谷师团侧翼。虽未攻克，但达到了干扰敌南下的目的。同月，板垣师团从青岛出发进犯诸城、沂水、莒县（日照），2月底攻至临沂城下。庞炳勋40军做殊死抵抗。
3月11日，张自忠59军奉命驰援临沂。14日，军主力强渡沂河发起进攻，至17日击退日军。59军伤亡6000余人。庞张二将军成功守住临沂，阻断板垣师团向台儿庄进犯之路。板垣改命坂本支队绕过临沂继续进攻，在台儿庄附近兰陵遭汤恩伯部阻击。
3月14日，西线日军矶谷师团以濑谷支队进攻滕县.守军41军代理军长王铭章以仅有的3000兵力坚守3日，城破巷战，直至牺牲。18日，临城、韩庄、峄县相继失守。20日，濑谷支队逼近台儿庄。
20日至26日，李宗仁调动孙连仲第二集团军和汤恩伯第二十军团向台儿庄移动，合围濑谷。
27日，濑谷支队强攻台儿庄。孙连仲部30军31师池锋城师长率部展开白刃战，死守不退。
3月29日，蒋中正电令第二集团军：
台儿庄屏障徐海，关系第二期作战至钜，故以第二集团军全力保守，即有一兵一卒，亦须本牺牲精神，努力死拼，如果失守，不特全体官兵应加重惩，即李长官、白副参谋总长、林次长亦有处分。
第二集团军传令各部官兵“牺牲到最后一滴血，奋斗到底”
激战至4月3日，日军控制台儿庄五分之四地方，国军第31师伤亡过半。 4日，孙连仲给李宗仁打电话请求撤退。一向体恤下情的李宗仁拒绝了：“敌我在台儿庄已血战一周，胜负之数决定于最后五分钟”
4月5日，汤恩伯第二十军团在阻击袭扰日军增援部队后，终于到达台儿庄，卷击日军侧背。濑谷支队和坂本支队在付出惨重伤亡后各自突围撤退到峄县、枣庄地区。
至此，台儿庄战役取得重大胜利。中国军队以毙伤日军一万多人的战果造成近代日本第一次军事挫败。
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