戰場情況錯綜複雜，軍隊的某些行動，往往能以真亂假，以假亂真。中國軍隊的“敵進我退”，日軍以為是敗退，即於1月２８日兵3路，對淮河地區發動攻擊戰。２月３日，東路日軍第13師團主先後攻占蚌埠、臨淮關。
２月８日，日軍第13師團主力分別在蚌埠、臨淮關強渡淮河向北岸發起進攻。中國守軍第31軍奮起反擊，殲滅日軍500人。
２月９日，日軍強渡淮河。當日軍向王莊陣地進攻時，中國守第114師的官兵與日軍展開了激烈的拚搏，傷亡2000多人。李宗仁分析了戰場的全局態勢以後，命令第27集團軍所屬第59和第21集團軍所屬第7軍增援南線。
2月11日，李品仙指揮第31軍官兵向被日軍占領的上窯地圍攻，中國軍隊的官兵奮不顧身，衝進敵陣，與日軍展開肉搏戰，殲滅日軍100多人。不久，廖磊率領的第21集團軍到達合肥、舒城、八鬥嶺、下塘集一線。中國軍隊兵力增加。
2月13日，張自忠軍長率領第59軍到達淮河流域，指揮部隊占領了姚集、固鎮、蒙城一線陣地。張自忠是山東臨清人，1914年投筆從戎，1919年被送到軍官教導團深造，先後擔任營長、團長、旅長、師長等職務。1933年，張自忠率軍參加長城抗戰，指揮部隊在喜峰口與日軍血戰，名聲大振，是一位有名的抗日將領。2月16日，日軍遭到我軍攻擊後被迫抽調主力6000多人增援考城、上窯、池河等地時，張自忠指揮第59軍乘機反攻，把日軍驅逐到泥河南岸。
經過一個多月作戰，南路日軍先後被殲滅2000多人，損失戰車百餘輛，腹背都受到中國軍隊的威脅，處於十分不利的局麵，沒有力量再向北麵發展，還擔心後路被中國軍隊切斷。在此情況下，日軍被迫全部退回淮河南岸，與淮河北岸的中國軍隊隔河對峙。中國軍隊的上述戰鬥，不僅挫傷了日軍的進攻銳氣，也為組織徐州外圍防禦爭取了時間。
李宗仁滿腔愛國熱情，在指揮徐州會戰中提出的獨特作戰方法，盡管在南線作戰尚未充分體現，也初見成效。
3.張自忠棄私怨三援臨沂
北線作戰的第一個焦點，是臨沂爭奪戰。
臨沂位於徐州東北，是防守徐州的一道重要門戶。臨沂縣城，金雀山、銀雀山兩座山東西對峙，相傳早年這兩座山的山岡上開滿了黃色和白色的草花，狀如雲雀，因而得名。臨沂有西漢前期的大量墓葬。1972年，銀雀山一號漢墓出土竹簡及殘簡4942枚，其中有失傳1700多年的《孫臏兵法》和《孫子兵法》等兵書，解開了兵法研究上的一個千年之疑。徐州會戰，臨沂成為中日雙方數萬軍隊爭奪的一個重要戰場。
2月下旬，北路日軍華北方麵軍第二集團軍司令官西尾壽造中將指揮第5、第10師團的部分兵力，分兩路向南進犯。其戰鬥部署是：
——日軍第5師團長阪垣征四郎中將指揮第21旅團向臨沂突擊。這個師團一部曾在平型關遭到八路軍第115師的沉重打擊。
西路：日軍第10師團磯穀廉介中將指揮長瀨穀支隊從濟寧地區西渡運河，向嘉祥進攻；命令瀨穀支隊沿津浦鐵路南進，向滕縣進攻。
日軍進攻的槍聲，首先在東路的臨沂方向響起。
3月5日，東路日軍第21旅團在旅團長阪本順少將的指揮下，進至臨沂北麵的湯頭、白塔一線。這路日軍共有3個步兵團、1個炮兵團、1個騎兵營，共2萬餘人。主要編製有：
第11聯隊所屬2個大隊；第21聯隊；第42聯隊所屬1個大隊；野炮兵第5聯隊所屬2個大隊；山炮兵1個中隊。
湯頭、白塔一線，距離臨沂城隻有5餘公裏路，日軍占領進攻出發陣地後，隨時都可能向臨沂發動攻擊。而防守臨沂的中國軍隊隻有龐炳勳軍長指揮的第40軍所屬5個團。
龐炳勳是河北新河人，1879年出生，早年在北洋軍第三鎮當兵。1921年以後，相繼擔任陸軍第15混成旅副旅官、騎兵營長、旅參謀長、第2混成旅旅長、暫編第5軍軍長等職務，1929年任馮玉祥部第3路總指揮。1933年率領部隊參加長城抗戰，任第10軍團總指揮。1935年升至陸軍中將。全麵抗戰爆發以後，1938年初出任5軍團軍團長。2月，根據李宗仁的命令，率領部隊防守臨沂。
龐炳勳剛到臨沂時，臨沂城的老百姓敲鑼打鼓，紛紛上街歡迎。部隊進城時，一些婦女和兒童手捧紅棗和雞蛋站在道路旁，熱情地慰問部隊。部隊進城以後，臨沂的一些青年爭先恐後地要求參軍。一位頭發花白的老大娘提著一籃雞蛋，急匆匆地走進龐炳勳指揮部，一定要把雞蛋親手送到龐長官手裏。
龐炳勳為臨沂百姓的熱情所感動，他對官兵們說：我們如果不拚命打日本鬼子，真對不起老百姓呀！