南京、太原陷落之後，中國抗戰在軍事上更加困難。抗戰5個月以來，中國軍隊失去了京滬平津等大片地區，人員和武器裝備的損失極其嚴重，急需休整和補充新的兵源。同時，武漢會戰又迫在眉睫。此時，日軍實行南北夾攻，圖謀打通津浦線，奪取徐州，直下武漢。第五戰區所在的徐海地區，成為阻斷敵方南北聯絡的壁壘和拱衛武漢的屏障，其戰略地位十分重要。國民政府最高統帥部出於全盤戰略的考慮，在積極加強武漢地區防禦的同時，盡量從晉南、豫北抽調部隊增強第五戰區的兵力，並將其作為正麵戰場上新的戰略重點和主要作戰區域。
國民政府在八一三淞滬會戰時，即已預見到位於南北兩大戰場之間的徐海地區的重要性。1937年10月12日，軍事委員會下令設立第五戰區，司令長官部署於徐州，規定其具體戰略任務為：“確保魯南及蘇北，與敵持久抗戰。”蔣介石為此特調派主張堅決抗戰的桂係領袖李宗仁將軍出任第五戰區司令長官，賦予保衛魯南蘇北地區的重任。
李宗仁，字德鄰，1891年8月13日生，廣西臨桂縣人。1937年12月，李宗仁自南京赴徐州履任，全權指揮津浦線的防禦戰。當時第五戰區的作戰範圍為：北至濟南黃河南岸，南達浦口長江北岸，東自長江吳淞口向北延伸至黃河口海岸線。直轄地區有：山東全省和長江以北江蘇、安徽兩省的大部。轄區遼闊，責任繁重。第五戰區所轄的部隊除桂係的廖磊第二十一集團軍和李品仙第十一集團軍外，其餘大部由各戰區調來，其部隊的番號和駐地大略是：第三集團軍（總司令韓複榘），原為西北軍，駐山東；第五十七軍（軍長繆激流），原為東北軍，駐蘇北；第五十一軍（軍長於學忠），原為東北軍，駐青島；第八十九軍（軍長韓德勤），由江蘇省保安隊改編，駐淮陰；第三軍團（軍團長龐炳勳），原為西北軍，駐碭山；第二十六集團軍（總司令徐源泉），原為晉軍；第二十二集團軍（總司令鄧錫侯，孫震代），川軍，原駐晉南，來自第二戰區；第二集團軍（總司令孫連仲），原為西北軍，來自河南第一戰區；第二十軍團（軍團長湯恩伯），中央軍，來自河南第一戰區。第九十二軍（軍長李仙洲），中央軍，來自河南第一戰區；第七十五軍，原為浙軍；第五十九軍（軍長張自忠），原為西北軍，來自河南第一戰區。
李宗仁到任後，根據最高統帥部確定的戰略方針，製訂了第五戰區的作戰計劃：（1）保有魯省大部分及蘇北地域，與敵行持久戰。
（2）作戰初期，應把守黃河及沿海要點，直接阻止敵人之侵入；不得已時亦須逐次誘敵深入魯南及蘇北地區，準備會戰，予以極大打擊，獲得最後勝利。
第五戰區依此計劃，做出了分3個階段實施的部署。第一階段：以第一線兵團將日軍阻止在黃河北岸及沿海地區，延緩日軍南進速度，使我第二線兵團有充裕時間在徐州附近部署完畢；第二階段：如黃河失守，第一線兵團退至萊蕪、泰安、新泰一線，設防固守，會同朝鄒縣、滕縣推進之第二線兵團的友鄰部隊在兗州附近同日軍會戰；第三階段：兗州附近會戰萬一失利，則在徐州進行決戰。其決戰方針為：以少數部隊固守徐州，以大多數部隊沿津浦路側擊，開展運動戰、遊擊戰，阻敵南進。
1937年12月，敵華中方麵軍在占領南京後，隨即渡江北進，攻占浦口、滁縣一帶，顯示出沿津浦線北上的作戰意圖。第五戰區根據敵情變化，適時修訂了作戰指導方針，提出“以一部仍守備海岸及黃河沿岸，以大部轉移淮河之線，拒止北上之敵，相機轉移攻勢”；“第三集團軍以主力配備於濟陽、東阿、泰安，沿黃河右岸設防，……竭力拒止敵之渡河，以鞏固本戰區北麵”；“第五十一軍即日以主力向臨淮關、蚌埠間地區轉進待命”；“戰區直轄之各部隊，仍位置於徐州附近，司令長官部仍在徐州”。
1937年12月20日，國民政府軍事委員會電令第五戰區，指示如下作戰指導原則：（一）戰區範圍修訂為：南界自長江口沿長江至湖北陽邏止，西南自陽邏至禮山沿豫鄂邊境迄吳山鎮，東北自黃河口，沿黃河至蘭封、陳留、鄢陵、郾城、沁陽至吳山鎮，與第一戰區為界。