1938年3 月17日，日军第 10 师团在攻占縢县后，就快速向台儿庄扑来。
3月20日，日军第 10 师团右路军攻占韩庄，左路军攻占了峄县。
3 月23日凌晨，中国第 2 集团军第 31 师第 93 旅骑兵连在峄县以南 8 公里和日军先头骑兵连遭遇交火，台儿庄血战就此打响。
3月24日，日军在飞机大炮的支持下，向台儿庄发起猛攻。一部日军从刘家湖向台儿庄东北部进攻，负责守卫的186与日军激战至深夜，1营几乎全员牺牲。200余日军进入台儿庄城内泰山庙。随后186团团长王震随即率将士轮番进攻，终于将这股敌军全部消灭。
之后的战斗更为残酷，日军在重武器上占据优势，动用了 150mm 榴弹炮对我军阵地毯式轰炸。日军经过猛烈轰炸后，调集重兵冲击我军阵地的缺口。我军第31师坚守台儿庄，和日军展开激烈拼杀。
仅3月27日一天之内，日军先后发起了20多次进攻，日军一次次冲入城内，我守军31师将士一次又一次将日军赶出城去。双方伤亡都巨大。
日军猛烈的火力使得31师伤亡惨重，伤亡几乎过半。31师师长池峰城曾几次向孙连仲请求撤出31师。孙连仲虽然深知这样的残酷战斗下，守军伤亡必定非常惨重，但从全局考虑，又必须死守台儿庄。他对池峰城说“部队绝不许撤，士兵打完了你就自己填上去，你填完了我就自己来填，直到打光为止。有谁敢退过运河，杀无赦！”
城内守军见此情况，于是抱着必死的决心，在每间房屋里，每条街道上都和日军进行殊死的战斗，子弹打没了，就用大刀和刺刀作战。中国守军数次组织敢死队，在深夜向日军发起突袭。
台儿庄血战到4月4日，城内守军已伤亡殆尽。这时孙连仲也支持不住了，他向李宗仁请求说，敌人火力很猛，打得很凶，我部伤亡很大，但也把敌人消耗得差不多。请求“我部暂时过河休整，也好让第 2 集团军留点种子，也是长官的大恩大德”。李宗仁此时只能勉励“敌我在台儿庄已经血战一周，胜负即将分晓。我援军明日正午可到，我本人也将于明晨到台儿庄督战，你部务必守至明日拂晓。”孙连仲也知道此战责任之大，只得保证一定坚守至明日拂晓，哪怕“把整个集团军打光也不惜一切代价”
李宗仁口中的援军是指汤恩伯的20集团军，原本在3月26日就该到达战场的汤恩伯部，却迟迟没有抵达战场。经过李宗仁多次催促，最后校长亲自下令，汤恩伯终于开始督促所部加紧进攻，本人也于 3月30 日晚前往洪山镇、兰陵镇指挥。
这段公案在李宗仁的回忆录里汤恩伯是“徘徊不进”，但后世也有人认为当时日军援军坂本支队已经出现在汤军团侧后，如果汤军团按原定计划先夹击台儿庄守军，侧后的坂本支队肯定会出兵夹击。汤恩伯军团反而遭受前后夹击非常危险，因此汤军团先阻击坂本支队，消除侧后的威胁之后再南下台儿庄夹击日军。
历史的真相还需讨论，但造成的结果则是台儿庄守军多坚守了几天，所幸守军以最大的牺牲，最顽强的精神守住了台儿庄，拖住了日军。为主力部队围歼日军创造了条件。
4月6 日，李宗仁在前线下达了全线反击的命令。
一时间中国军队全线出击，杀声如雷贯耳，敌军已成强弩之末，稍微抵抗一番就狼狈后撤，濑谷支队力战不支，在炸毁搬不走的物资后向峄县溃逃。4月7日，李宗仁命令所有参战部队开始追击敌军。
台儿庄一战，除濑谷支队数千人逃掉外，其余全部被歼灭，敌军尸横遍野，所遗辎重到处都是，矶谷本人率残部拼命突围得脱。
战后中国方面统计，中国军队毙伤日军11984人，俘虏719人，缴获大炮31门，装甲车11辆，大小战车8辆，轻重机枪1000余挺，步枪10000余支。日方数据为第5、第10师团合计伤亡11984名。中国军队自身伤亡达5万多人。台儿庄战役，是明治维新以来日本陆军遭遇到的最大失败。
台儿庄的失败，激起了日军报复之心。日本决定向中国迅速大规模增兵，准备发起更大规模的军事行动来洗刷台儿庄失败的耻辱。
4 月间，日军华北方面军和华中派遣军纠集了 13 个精锐师团，约 30 万大军，配备了重武器和飞机。分 6 路对徐州形成了包围之势，意图采取南北对进、侧翼迂回的战术，围歼第 5 战区的中国部队主力。
台儿庄的胜利固然让处于压抑的中国军民为之一振，但是也让一些中国将领产生了盲目乐观的心态。但是徐州在平原之上，无险可守，非常适合日军机械化部队作战，制空权又在日军手中。台儿庄之战的成功是日军第10师团的轻敌冒进加上我军战士不顾牺牲坚决阻击集中优势兵力等多方面因素综合而成。这次日军大军前来，打起来中国军队会很吃亏。
因此李宗仁认为“以中国军队的装备，利用地形条件与敌人作运动战”，应该极力避开战斗，并提出撤离徐州的意见。避免我精锐部队在徐州被消耗光，采取持久消耗战的策略。
5月，校长同意了撤退的方案。5月17日，李宗仁下令战区各部按预定序列，逐次突围。中国军队边战边退，维持着完整的阵型按部就班向西、南撤退，陆续冲破日军阻击，最终在河南南部及湖北北部集结，各部相继抵达，皆无重大伤亡。
日军气势汹汹地杀过来，却发现中国军队早已巧妙地跳出包围圈。日军华北驻屯军参谋长桥本群少将后来向日本天皇报告时也不得不承认“总计约 50 个师的中国军队却于 5 月中旬突然从西南方向跳出了我军重围，战果之微出乎意料！”
徐州会战日军虽然打通了津浦线，扩大了占领区，但没能实现消灭中国军队主力和迫使中国投降的目的。中国军队的顽强作战，则再次证明了不惜一切代价守土抗敌的决心。
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