接到作戰命令後，川軍將士氣勢高漲，紛紛保證：聽從李長官指揮，奮勇殺敵，誓與滕縣共存亡，以報答知遇之恩。
擺在第一線的第四十五軍，以滕縣為據點，在界河東西兩麵的香城、九山、王福莊、張莊、後圪、金山一線占領陣地，構築工事，準備阻擊進犯的日軍，與日軍保持接觸。陳離第一二七師的師部駐紮在滕縣，該師以一部支援第一線王士俊代理師長的第一二五師，一部在兗州、鄒縣和曲阜之間遊擊。
進駐滕縣負責城防的部隊，是第四十一軍稅梯青代理師長的第一二四師曾甦元第三七二旅，但實際上隻有一個劉公台團。該師呂康第三七零旅進駐滕縣西北的深井，但呂康旅實際上也隻有一個王麟團。該團的任務是掩護第四十五軍第一線陣地的左側背，並相機在石牆和濟寧之間遊擊。第一二四師師部駐紮在利國驛。
集團軍的總預備隊是王銘章的第一二二師。該師王誌遠第三六四旅隻有一個張宣武團，擺在台兒莊至頓莊閘一線。童澄第三六六旅隻有一個王文振團，部署在頓莊閘至韓莊一線。師部駐紮在台兒莊與韓莊之間的萬年閘。從1月中旬以後的四十多天中，王銘章師在台兒莊至韓莊之間的運河邊，構築了半永久性的防禦工事。
這時，姚超倫接到上級命令：譚尚修的第七四六團前往界河，派一部監視兩下店的日軍；姚超倫團到滕縣前方二十裏鋪構築工事。
兩下店和郭山的戰鬥，譚尚修團聞名全國。
在姚超倫團開到以前，為什麼徐州以北的津浦路正麵沒有中國守軍呢？因為韓複榘的第三集團軍撤出濟南以後，沒有在泰安防禦日軍，便沿濟寧公路撤到山東西南部，隻留一輛鐵甲車沿鐵路開到徐州，使徐州以北的津浦鐵路正麵無一兵一將防守，徐州當然危險萬分了。韓複榘的部隊駐紮山東已久，平時搜刮民財擴張武力，日軍侵入山東時，卻不認真抗戰，隻顧保全實力和私人的安全。他們不顧人民遭受家破人亡的痛苦，群眾恨之入骨。
所以，當川軍到達這裏之後，人民群眾知道他們是來抗日的，便扶老攜幼，送肉送菜慰勞。姚超倫團的官兵曾在山西受到八路軍軍民團結作風的影響，到處開軍民聯歡會，處處尊重群眾，不騷擾人民，軍民關係十分融洽。在姚超倫居住的村落裏，戰士們常常同老百姓聊天，村民們也愛找部隊談天說地。過春節時，各家都把過節的餃子送一碗給部隊，軍民親如一家人，使這些四川的軍人們感到了山東人民的熱情豪爽。
1月14日6點，譚尚修團第三營從滕縣出發，向鄒縣前進，占領界河。他們在上午9點到達指定地點，占領陣地，派第八連和第九連向鄒縣搜索前進。在津浦線上的兩下店，有三百多名日軍，構築據點，阻止了譚尚修團兩個連的前進。於是譚尚修團推進界河，旅部和姚超倫團接駐十裏鋪。譚尚修命令第三營營長尹唯一率領該營第三連和第六連在當晚進攻兩下店，殲滅日軍。但是，兩個連反複攻擊，沒有得手。拂曉時撤退到界河，傷亡官兵三十多人。
這次失敗，是因為譚尚修團初次與日軍作戰，缺乏經驗，加上部隊裝備實在太差，四川土造的步槍和迫擊炮不堪使用，所有步兵連沒有一挺輕機槍，軍和師也沒有一門大炮，因此造成失敗。戰後，連長陳禹三受了處分，營長尹唯一記了大過。
為了彌補武器的不足，官兵們開始想辦法，立即雇請當地大批鐵匠，把拆鐵道的鋼材拿來打馬刀，日夜加工趕做，準備短兵相接，砍殺日軍。
16日，大雪飛揚，氣候酷寒，全團在界河部署構築工事，並派出小部力量向日軍方麵遊擊。
19日夜，譚尚修團派出遊擊大隊到兩下店襲擾。
21日，盧濟清召集團營長和當地人民自衛軍劉大隊長，共同研究進攻鄒縣的地形和作戰計劃。在會上，大家聽到一個消息：濟寧失陷後，日軍屠殺兩千多名中國人，並劫掠奸淫婦女甚多。大家聽了，感到慘痛已極。第一營營長陳仕俊召集本營軍官和軍士，發表講話，要求發揚愛國精神，英勇抗戰，有我無敵。日軍侵占我國領土，必須殲滅，還我河山，下定決心，奮勇前進，義無反顧。軍官和軍士們都表示抗戰到底，不勝不還，才不辜負四川健兒從幾千裏之外趕來殺敵的願望。
與此同時，尹唯一召集第三營軍官會議。由於該營前次攻打兩下店，沒有攻克，尹唯一受了處分，現在他發動大家討論，立下公約書，用手指蓋箕鬥印，表示同生死共患難，無令不後退，共同遵守公約。
這支部隊雖然裝備低劣，但士氣旺盛，官兵都有與日軍死拚的決心。尤其是老百姓對部隊的愛護，更令官兵們感動，決心努力殺敵，以報答人民。
由於滕縣、鄒縣地區是孔孟的故鄉，人民禮教最深。川軍尊重他們的習慣，不進他們的寢室內房，隻住堂屋和階沿邊，老百姓與部隊的關係進一步密切，經常給部隊送來白菜、粉條、豬肉和豆腐等等，晚間則送來柴草，供巡查隊烤火取暖。後來在與日軍作戰失利撤退時，當地民眾自動抬運傷員，迂回送到後方，使官兵們永久不能忘懷。
28日，譚尚修團派出遊擊隊與日軍在蔡莊遭遇接觸，雙方都有傷亡。團部接到電報，說韓複榘失敵喪師，不戰而退，現已槍決，大快人心。又據徐州報載，川軍第二十三軍軍長潘文華和師長楊國禎，作戰不力，撤職留任，戴罪立功，陳萬仞師長撤職查辦。
1月31日是春節，軍民聯歡，互相慶賀春喜，頗有春意。當天中午，《大公報》記者範長江、《新華日報》記者周海萍和《掃蕩報》記者張劍心等都來到界河前線采訪，偵視地形與敵情，同時了解部隊的抗日情緒，大大鼓舞了前方將士的戰鬥士氣。
1938年1月底，川康綏靖主任劉湘病逝，鄧錫侯奉調回川繼任。孫震升任第二十二集團軍總司令。陳鼎勳升任第四十五軍軍長。王士俊升任第一二五師師長。陳離升任副軍長，仍兼第一二七師師長。
2月7日，王士俊和第三七三旅旅長盧濟清到界河視察，各連營進一步加強陣地，構築工事，並改良做法，加蓋掩體。第二天，孫震到北沙河召集前線軍官訓話，談到山西作戰的經過和教訓，當前對日作戰應注意的事項，並講到國際形勢等，軍官們都很興奮，戰鬥熱情空前高漲。
12日，譚尚修團的團長和各營營長到郭山偵察地形，俯視兩下店的日軍，發現日軍固守一隅。大家研究了進攻路線與作戰計劃。回到團部時，盧濟清在月光下召集軍官和軍士講話，告訴大家，部隊準備攻占兩下店，要求大家忠勇殺敵，一舉成功，有進無退。
盧濟清旅於2月14日進攻兩下店。譚尚修第七四六團全部和地方抗日武裝紅槍會幾百人擔任主攻，於夜間進襲。姚超倫團占領鐵路和右側高地做掩護。譚尚修命令尹唯一率領第三營向兩下店進攻。當晚，第三營兩次進攻，都沒有得手。戰鬥到拂曉，傷亡官兵三十六名。由於天亮擔心日機轟炸，第三營撤回原守備陣地。
16日，譚尚修團的士兵反穿棉衣，白布襯雪，第一營和第二營進攻兩下店，以第三營為預備隊。下午兩點鍾，陳仕俊第一營在左翼，陳龍光第二營在右翼，齊頭並進，猛打猛衝。由於日軍炮火猛烈，攻打到5點鍾，還未能攻克兩下店，傷亡已達四十多人。為了完成任務，官兵們熱血沸騰，下定敢死決心。兩個營選出了三個連，把不堪使用的川造步槍放在場外，都用馬刀和手榴彈。
三個連在重機槍掩護下，與日軍短兵相接，實行巷戰。兩個營的官兵共有七百六十人衝入集鎮，用馬刀砍死砍傷了許多日軍。苦戰一天一夜，傷亡慘重。譚尚修團據守集鎮中的兩座樓房，日軍交換攻擊幾次，都被譚尚修團用手榴彈打退。由於敵我裝備懸殊，川軍又缺乏與日軍戰鬥的經驗，全憑著愛國血氣與日軍死拚。17日淩晨3點，有三百多人在吳欽明和鄧茂雲兩位連長的率領下突圍出來，其餘四百多人壯烈犧牲。譚尚修團撤退到距兩下店約五華裏的郭山，整頓部隊，以利再戰。姚超倫團則到嶧山作後援。
天明後，這兩個團安全轉移到新陣地布防，沿途老百姓提著高粱麵煮的熱湯給官兵們解寒，大家感動得流了淚。
17日9點鍾，日軍又向兩下店增派了兩百多人。下午兩點，日軍用十幾門炮向譚尚修團的郭山陣地轟擊，掩護七八百名步兵在幾輛戰車引導下發起進攻。日軍進攻到郭山陣地邊緣最近距離時，譚尚修團才開始還擊。激戰到5點鍾，譚尚修團山前陣地失守。打到黃昏，日軍攻占了譚尚修團的重要據點。陳仕俊指揮範仲和、鄧茂雲兩個連出擊，激戰甚烈。官兵們用手榴彈猛烈打擊日軍，打到晚上11點，才把日軍擊退，奪回失去的陣地。這時，日軍又從兩下店用十幾門大炮集中轟擊譚尚修團的陣地。這一天的戰鬥，譚尚修團和日軍的傷亡都很大。陳仕俊也在戰鬥中負傷。
譚尚修團在兩下店和郭山的英勇戰鬥，《大公報》後來做了專門的報道，使這個團名聞全國。
中國軍隊派出王文振團，在敵後開展遊擊戰。
日軍在2月17日這一天向中國軍隊發起攻擊，是因為日本華北方麵軍第二軍司令官西尾壽造，根據方麵軍在2月5日下達的在黃河以南、現占領線以北進行平定作戰的命令，在這一天命令磯穀廉介第十師團“掃蕩”汶上、濟寧附近地區，命令板垣征四郎第五師團向臨沂方向攻擊。磯穀廉介接到命令後，命令瀨穀啟少將組成瀨穀支隊，含四個半步兵大隊和兩個野炮兵大隊，於這一天開始對濟寧地區的中國軍隊發起進攻。
到18日10點，日軍主力部隊沿津浦路猛攻南下，盧濟清旅的兩個團開始撤退，各團互相掩護，逐段抵抗。第一二五師林翼如旅在鐵路右側作戰，阻擊日軍。第四十五軍陳離第一二七師的部隊在津浦路左側微山湖東岸與日軍激戰。
第四十五軍另有一支部隊，插入日軍後方開展遊擊戰。陳離師的王文振第七五七團，2月上旬奉命從虞城向曲阜、鄒縣之間挺進，到曲阜、鄒縣之間的敵後山區開展遊擊戰爭。2月11日到達後，在各地人民群眾的大力支援和密切配合下，展開了活動。
2月12日，王文振團兩個營，配合部分人民地方武裝，分赴曲阜至鄒縣公路旁的小雪村和鳧村附近，秘密埋伏，伺機打擊日軍。這兩營官兵和地方武裝到達目的地後，首先阻絕交通，破壞公路橋梁，占領軍事要點，控製鄉村一切活動，做好遊擊戰爭的一切準備，積極開展必要的政治活動。他們嚴密封鎖消息，初步嚐得遊擊戰的神出鬼沒、飄渺無蹤的要領，果然兩天多日軍毫不知道他們設伏的情況。
14日上午10點左右，在小雪村以東忽然發現曲阜方向駛來日軍小汽車三輛，各處埋伏的中國軍隊喜出望外。日軍將接近小雪村時，看見公路要點被破壞，便停車偵察。伏軍連放信號，遠處的伏兵馬上切斷公路和橋梁，湧向日軍。日軍發現已被包圍，正徘徊猶豫、進退維穀時，王文振團伏擊部隊一齊開槍，向日軍猛烈射擊。頓時槍聲四起，手榴彈橫飛，日軍逃出汽車奔命，倉促應戰，且戰且逃。王文振團一麵向日軍射擊，一麵躍出掩體，揮起大刀片向日軍砍殺。激戰半小時，將日軍磯穀師團的少將中島榮吉以下十五人全部打死，並繳獲輕機槍二挺、步槍三支、手槍三支、小轎車三輛，軍用地圖、文件、作戰資料幾束。王文振團傷亡三人。
同一天下午兩點，王文振團在鳧村附近的遊擊隊，又發現鄒縣日軍幾十名，乘大卡車一輛，沿鄒縣至曲阜的公路急速駛來。將近鳧村村口，日軍發現公路破壞，立即停車檢查。日軍四處張望，準備搶修，以便向曲阜日軍司令部開去。王文振團伏擊部隊眼看日軍落入包圍圈，立即發出信號，指揮兩端伏兵切斷公路，中間伏兵集中向日軍射擊，打得日軍嗷嗷亂叫，紛紛跳下汽車，豕突狼奔，倉皇應戰。王文振團部隊繼續大量向日軍投擲手榴彈，殺傷日軍。戰士們躍出陣地，喊聲震天，殺向前去，打死日軍二十五人，繳獲輕機槍一挺，步槍十八支，大卡車一輛，無線電通訊器材一部，軍用地圖一套，日軍後方聯絡要圖一張。王文振團無一傷亡，軍民興高采烈，歡呼取得的勝利。
日軍在小雪村和鳧村被王文振團遊擊隊奇襲殲滅，消息傳到曲阜和鄒縣的日軍司令部以後，日軍指揮官惱羞成怒，立即派遣二百多人，分乘十輛汽車，從曲阜開到小雪村附近。日軍在離小雪村很遠的地方就兵分三路進行武力搜索，到處燒殺擄掠，糟蹋中國老百姓，激起王文振團極大的憤怒，決心狠狠打擊日軍。由於王文振團預先占據了有利地形，居高臨下，對準在公路、大道上馳騁的日軍猛烈射擊，日軍圍著車子團團轉，全在王文振團火力包圍之中，最後不得不龜縮回曲阜城。王文振團遊擊隊料到日軍不會甘心失敗，必然再度卷土重來，當夜做了新的部署，離開小雪村和鳧村等地，轉移到南山根據地，再伺機打擊日軍。
15日，曲阜和鄒縣兩處的日軍果然出動，每股都有步兵五六百人和幾門火炮，分頭向小雪村和鳧村撲去。可是，王文振團在鳧村的伏擊部隊早已轉移，從鄒縣縣城出來的日軍撲了個空。而小雪村的伏擊部隊接到命令較晚，沒有來得及撤走，被日軍包圍，激戰到夜晚，才突圍出來。為了防止日軍向南山進攻，16日早晨全團轉移到田黃村，暫時休整，再策劃第二步行動。這一仗，王文振團傷亡連長一人，士兵一百多人。
川軍以簡陋的武器和裝備，與優勢的日軍殊死搏鬥。
2月26日，日軍越過大運河，占領了嘉祥。
2月底，日軍磯穀師團已於鄒縣地區集結完畢，向津浦路北段的孫震集團軍全麵轉入攻勢。在兩下店與王士俊師對峙的日軍首先出擊。
3月上旬，日軍向鄒縣和兗州大量增兵。從3月4日起，日軍不時派出小隊或中隊的搜索部隊，向第四十五軍王士俊師的第一線陣地施行火力偵察。日軍飛機也頻繁出動，進行空中偵察。
日軍開始總攻勢時，炮火猛烈，繼之以坦克前導，步兵伴隨，協同前進。守軍正麵的王士俊師和陳離師都被擊潰。王士俊師沿鄒縣至滕縣的公路經香城、東郭等地，節節抵抗，遲滯日軍。陳離師在微山湖以東地區，交相掩護後撤，並堅守普陽山、龍山、界河、北沙河、大山及大塢、小塢之線。稅梯青師第七四零團也受到日軍兩倍兵力及火力的壓迫，放棄石牆村，在東深井村南高地一線部署防禦陣地。為了掩護滕縣左翼安全，一麵竭力抵抗，一麵急報師部求援。
3月8日，日本第二軍司令官西尾壽造中將暗示磯穀廉介，希望他的第十師團能占領滕縣一帶。西尾壽造所用的是暗示而非下達命令，可見他們不敢公然違抗大本營關於不擴大戰事的命令，卻是用彼此心照不宣的方式來溝通。於是，磯穀廉介命令瀨穀支隊南下推進到界河附近。13日，磯穀廉介又命令瀨穀支隊推進到臨城。
日軍瀨穀啟少將指揮的瀨穀支隊，這時候已經擴大了陣營，下轄第三十三旅團司令部，赤柴八重藏大佐指揮的步兵第十聯隊（欠一個半大隊），福榮真平大佐指揮的步兵第六十三聯隊，獨立機關槍第十大隊，獨立輕裝甲車第十中隊和第十二中隊，穀口春治中佐指揮的野炮兵第十聯隊（欠一個大隊、兩個中隊），臨時野炮兵中隊（九零野炮），臨時編成的山炮兵中隊，野戰重炮兵第二聯隊（欠一個大隊），中國駐屯炮兵聯隊第三大隊，工兵第十聯隊第一中隊，師團通信隊、衛生隊各一部，師團第一野戰醫院，兵站汽車第十五中隊。
3月9日，瀨穀支隊向滕縣前方的界河防線發起攻擊。守衛界河防線的中國軍隊是陳離師和王士俊師的林翼如第三七五旅。陳離任前線總指揮。王士俊師第三七三旅姚超倫團在香城占據普陽山為右前方支撐點，受林翼如指揮。左側方是稅梯青師的呂康旅。
日軍先向陣地正麵和左側佯攻了三天，於12日拂曉以主力進攻香城。因香城突出界河本陣地的右前方約十多裏，遵照上級指示，姚超倫團在香城左側普陽山構築堅固工事，除重機槍和迫擊炮築有工事外，士兵一般都挖有掩蔽部，並在便於了望的地方築有團指揮所，陣地上和後方也架設了電線。
日軍以坦克、騎兵和步兵從公路向香城陣地進攻，經過三小時激戰，姚超倫團守衛香城的楊宜營傷亡重大，眾寡懸殊，便轉移到普陽山陣地附近村落防禦。當日軍進攻香城時，守軍在普陽山的迫擊炮向日軍騎兵轟擊，日軍騎兵紛紛向守軍迫擊炮火力不能達到的地方奔跑。日軍密集的步兵隊伍，也壓低姿勢，在公路旁停止。接著，約有兩個中隊的日軍向普陽山陣地進攻。守軍先用迫擊炮將日軍壓製，等到日軍接近陣地時，用重機槍和手榴彈反擊，把日軍打退了。
接著，日軍又發起幾次衝鋒，都被守軍打退。日軍便以部分兵力監視守軍陣地，大部隊向守軍陣地右後方前進。守軍迫擊炮火力，在距離兩千米以外的地方，就無法殺傷日軍。而步槍也不行了，槍膛內的來複線都磨平了，子彈出口的槍聲，嗵嗵嗵，和土槍一樣，實在難聽。守軍士兵不願用槍射擊，隻準備在肉搏時使用。
為了便於觀察全部敵情，姚超倫離開指揮所掩蔽部，剛走出十多步，便被日軍炮兵發現，向他這邊轟擊，炮彈在他身邊爆炸，碎片打傷了他身後幾步的兩名傳令兵，一個手臂上受輕傷，另一個腿上受重傷，以後成了殘廢。姚超倫身上也被土塊和石子崩傷。
過了十分鍾左右，姚超倫看見日軍分兩路繞過香城，向守軍陣地後方和滕縣方向進攻。由於守軍沒有飛機和大炮，日軍像演習一樣，先頭以坦克和騎兵搜索，隨後是步兵以行軍縱深跟進。日軍飛機在頭上低空偵察，日本軍官坐在吉普車上，部隊約莫有一個旅團。姚超倫用電話向上級報告，但不久電話線就被日軍破壞了。
大約在夜半時分，姚超倫派到旅指揮所與界河友軍陣地上的聯絡人員回到團部，報告日軍向龍山腳下迂回，把指揮部的預備隊打垮了，師部和旅部的指揮官都向滕縣方向退去，但沒有給姚超倫發出指示，界河陣地仍然固守未退。後來鄰接陣地的友軍傳來通知，準於拂曉前全線撤退。
姚超倫派出一營兵力，分別封鎖日軍占領的村落，待全團通過後，作為後衛跟進。部隊從日軍占領的村落空隙之間穿過，到達香城側麵的黃山，在那裏據守一天。
得到日軍磯穀師團將大舉南侵的情報後，3月10日，孫震為加強滕縣守備，重新調整部署。他將集團軍總預備隊王銘章師師部和王誌遠第三六四旅旅部調進滕縣；同時，將稅梯青第一二四師師部從利國驛調駐滕縣。孫震仍然任命陳離為第一線指揮官，負責指揮防守滕縣以北香城、界河一線的第四十五軍部隊；任命王銘章為第二線指揮官，負責滕縣守備。同時，孫震又任命王銘章為第二十二集團軍前方總指揮，統一指揮第四十一軍和第四十五軍作戰。