1938年3月，中国守军进行了顽强抵抗，孙震第二十二集团军第四十一军第一二二师、一二四师与日军矶谷第10师团激战。

在中国守军的英勇抵抗下，日军未能如期会师台儿庄，战斗继续进行。

3月18日，滕县沦陷，日军继续向南推进，攻占枣庄、峄县，沿台枣支线向台儿庄突进。

国民党第五战区司令长官李宗仁采取了诱敌深入的策略，命令汤恩伯第二十军团的两个军让开津浦路正面，以待日军主力直扑台儿庄时进行南下，与孙连仲部围歼敌人。 3月23日，台儿庄战役正式展开。

1938年3月23日，第31师一部在台儿庄以北的康庄附近与日军发生接触。

与此同时，濑谷支队的台儿庄派遣队在北洛地区与第31师展开激战。

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此时，第二集团军各师已到达徐州附近，孙连仲奉命赶赴台儿庄实施指挥，并派遣第27师守卫运河河防。

濑谷支队的沂州支队策应第5师团向临沂方向进攻，第10联队主力位于临城，第63联队主力位于峄县，准备占领台儿庄并保障侧翼安全，之后再向临沂前进，日军占领北洛。

3月24日，第52军团的第52军在郭里集包围了一部分日军。

随后，第85军第4师也已经到达枣庄以北的山地，攻入城西，焚烧敌军战车8辆，并夺占了日军在枣庄的三个碉堡及中兴煤矿公司的水塔。

此时，日军不得不抽调第十联队增援枣庄。

日军濑谷支队兵力分为两支，第十联队与第二十军团四个师对峙，以第六十三联队为主力与第二集团军三个师又一个旅对峙，进攻的重点是台儿庄。

在此背景下，汤恩伯的第20军团有两种作战可能，一是继续攻打枣庄和郭里集，一是以主力南下攻击自南下的日军侧背，支援台儿庄守军。

然而，汤恩伯选择保持实力，游动在枣庄和峄县一带，不愿离开山区。

3月27日后，第85军撤回抱犊山，第52军也撤向这一带山区。

3月24日至27日，日军向刘家湖发动进攻，但被守军赶出。

第31师采取收缩兵力的战术，在北站、南洛、台儿庄和刘家湖分别设防。

日军兵力逐渐增加，并补充了重炮、坦克和弹药。

中国野战重炮团和战车防御炮营、一个铁甲车中队也相继到达台儿庄，大大增强了守军火力。

日军在战车掩护下猛攻台儿庄，突破北门，再度占领东北角。

守军的战防炮大显神威，击毁敌战车6辆。

同时，第185团在刘家湖向日军发起攻击，部分士兵挥舞大刀冲入敌军炮兵阵地，一度使日军大批士兵弃炮而逃。

日军得到增援后再次对台儿庄发动攻击，双方在城内展开激烈的巷战，守军顽强抵抗。

城内阵地遭受炮火轰击，城外的第30师和独立第44旅不断向三里庄和刘家湖发动攻击，牵制日军对台儿庄的压力。

3月28日，日军南下攻坚，与台儿庄派遣队会合，并占领城西北角。

守城的第31师主力及直属部队和第30师的一个团部都投入城内，实施分区防守。

第五战区第30军军长田镇南和第42军军长冯安邦也分赴左右两翼督战。

3月30日，濑谷支队主力从峄县南下，保障台儿庄攻坚部队的后方和两翼，并与第27师展开激战。

第27师反击刘家湖，截击了日军炮兵部队，并击毁了5辆日军战车，但中国军队的战防炮也被击毁。这一天，日军对台儿庄的攻击达到顶点，但在夜间中国守军乘夜出击，日军被迫退守北门，中国守军夺回了台儿庄的四分之三的街市。

当台儿庄战事紧张时，第五战区长官李宗仁多次命令汤恩伯南下夹击日军，但汤恩伯迟疑不决，留在山区不前进。

直到3月29日，李宗仁再次下令汤恩伯南进，并威胁称若不听命，将严惩。

蒋介石也亲自致电汤恩伯，要求他全力以赴支援战略协同，以获得胜利。

于是，汤恩伯指挥部队南下，夹击日军濑谷和坂本支队。

3月29日，坂本支队开始向濑谷支队救援，但留下两个步兵大队在临沂。

坂本支队主力步兵四个大队和炮兵两个大队在当晚出发，3月31日到达向城和爱曲附近，袭击第52军侧背。

汤恩伯调遣第85军一部在爱曲和作字沟一带阻击日军。