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时至2月下旬，山东战场日军第2军开始分路南犯。东路第5师从山东潍县南下，连陷沂水、莒县、日照，直扑临沂。第3军团第40军等部节节抵抗。第59军奉命驰援，3月12日到达临沂北郊的沂河西岸，协同第40军实施反击，激战5昼夜，重创日军，迫其向莒县撤退。西路日军第10师长濑支队从济宁地区西渡运河，向嘉祥进攻，遭第3集团军顽强抵抗，进攻受挫；濑谷支队沿津浦铁路南进，3月14日由邹县以南的两下店进攻滕县。守军第22集团军第41军英勇抗击，伤亡甚重，苦战至17日，该军守城的第122师师长王铭章殉国，滕县失守。
日军占领滕县后，骄狂之极，直扑台儿庄。日军兵力4万余，坦克车七八十辆，山野炮和重炮百余门，并以大批飞机助战，3月23日，冲到台儿庄北泥沟车站。24日凌晨，日军以猛烈的炮火轰击台儿庄防御工事，随后以坦克为前导，冲进城内。台儿庄一带宅室多为石头建筑，故每一房屋皆为一堡垒。守军据房为垒，至死不退。日军猛攻三昼夜。与守城将士发生激烈巷战。
同日，蒋介石即赴徐州视察督导，3月27日，当日军增兵鲁南，战事趋向激烈的时刻，蒋介石亲赴前线车辐山车站，并去台儿庄南站观战。
李宗仁劝阻说，委员长之安全系全国长期抗战之成败，万万不可在此久留。
蒋介石说，王铭章师长与全师在滕县壮烈殉城前，我痛惜未曾与之谋面，今池师长又将及生死关头，我既来此，不可却步。
蒋介石在李宗仁、白崇禧等人的陪同下去台儿庄南车站会见了池峰城，蒋拉着池的手说，你的长官说你是忠勇、精干兼备之人，今天看来此言不虚。
池峰城激动的不行，说道：我师绝对战斗到底，与阵地共存亡，以报国家，以报委座知遇之恩。蒋对池嘉许、勉励一番，挥手告别。
蒋介石返回时留下副参谋总长白崇禧、军政部次长林蔚，军令部第一厅厅长刘斐、高级参谋王鸿诏组成参谋团，在徐州协助李宗仁指挥作战。
战斗持续到4月3日，台儿庄守城将士伤亡已逾十分之七，三分之二的阵地己为日军占领，守军将士仍据守南关一隅，拼死不退。日军再次调集重炮、坦克猛轰、猛冲。李宗仁一面下令坚守，一面急令汤恩伯军团火速南下增援。次日黎明时分，台儿庄北面炮声隆隆，汤恩伯军于日军背后出现，日军撤退不及，陷入重围。
李宗仁即令守军全线出击，一时间杀声震天，血战旬日，敌军己成强弩之末，狼狈突围逃窜。除一部分突围至峄县城固守待援外，日军遗尸遍野，坦克车被毁30多辆，遗弃的各种车辆、弹药、马匹遍地皆是。台儿庄一役连同徐州南北各战场共歼灭日军16000余人，各种物资弹药缴获无算。