台兒莊大捷臨沂和滕縣的拚死抵抗，為中國軍隊的增調和部署贏得了寶貴時間，中央軍精銳部隊湯恩伯所部第20軍團主力和第2集團軍總司令孫連仲部都及時趕赴徐州一帶。日軍第10師團見無力繼續南進徐州，便隔京杭大運河與我軍對峙。瀨穀混成旅轉而從臨城、滕縣分兵向台兒莊方向進攻。該路進攻，一方麵可從隴海線東邊對徐州形成包圍，一方麵可從背後進攻臨沂守軍，協助阪垣師團突破該防線南下。副參謀總長白崇禧在武漢特邀周恩來和葉劍英商討作戰方針，周、葉建議采取陣地戰和運動戰相結合的方針，殲滅日軍於濟南以南、徐州以北地區。還提出派新四軍第4支隊協同李品仙、廖磊軍團，以運動戰和遊擊戰牽製津浦線以南日軍於淮河流域的方針。周恩來還派張愛萍以北路軍代表的名義，專程前往徐州會見李宗仁，提出該意見。李宗仁對此很讚賞。
李宗仁立即命令孫連仲集團軍在台兒莊部署正麵抵禦。3月23日，台兒莊戰役打響。24日，蔣介石帶著副參謀總長白崇禧、軍令部次長林蔚、廳長劉斐等組成的臨時參謀團，從武漢飛抵徐州督陣。日軍的進攻遭到正麵防禦部隊第2集團軍池峰城師的頑強抵抗。27日之後，雙方展開了激烈的巷戰。29日，磯穀廉介命令瀨穀支隊迅速擊敗台兒莊及附近守軍，並讓在臨沂激戰中的第5師團阪本支隊停止對臨沂的攻擊，馳援台兒莊。同日，蔣介石、李宗仁也下達了死守台兒莊的命令。在孫連仲集團和張自忠第59軍、龐炳勳集團在台兒莊、臨沂頑強抗戰，與日軍艱苦爭奪村莊陣地之際，精銳部隊湯恩伯軍團的主力一部則向西北方向側移至台兒莊與臨沂之間的雲穀山區。在李宗仁的一再催促下，湯恩伯軍團才於31日從側背夾擊日軍。同日，阪本支隊側擊湯恩伯軍團第52軍，被隨即趕到的該軍團第57軍包圍、重創，日軍救援失敗。與此同時，我山東方麵軍（第3集團軍）又進至臨城、棗莊，夾擊日軍後路。
4月3日晨，第五戰區司令部下令台兒莊內處於劣勢的池峰城部反襲日軍，擾亂日軍陣腳，並隨即發起全線反攻。7日，瀨穀旅團彈盡援絕，被困於嶧縣、棗莊、臨城一帶。阪垣師團獲悉後，將臨沂戰場的主力西移，與磯穀師團殘部會合，死守待援。台兒莊之戰告一段落
台兒莊戰役前後近一個月，中國守軍在當地老百姓的大力配合下，以傷亡2萬將士的代價，擊潰了日軍兩個最精銳師團的進攻，殲滅瀨穀混成旅大部、阪本支隊一部，共計1萬餘人，繳獲各型火炮70餘門，坦克40餘輛，裝甲車70餘輛，汽車100餘輛，槍械1萬餘支及其他戰利品，取得了自平型關大捷以來的又一次重大軍事勝利，也是抗戰以來最大的一次軍事勝利。中外媒體對台兒莊大捷進行了大張旗鼓的宣傳，一洗平型關大捷之後因太原、南京、濟南等一係列重要城市相繼淪陷而籠罩在全國的悲觀陰霾，大大鼓舞國人的抗戰鬥誌。【台兒莊大捷是國民黨方麵自七七事變以來取得的第一次大勝仗，遲滯了日軍對華中地區的進攻步伐，極大地鼓舞了全國軍民的抗日鬥誌。】
徐州會戰·豫東會戰·花園口掘堤
台兒莊慘敗之後，日軍大本營迅速總結教訓，得出敗於輕敵的結論，並決定趁中國軍民沉浸在勝利喜慶之際迅速反擊，聚殲中國精銳部隊於徐州一帶。華北方麵軍司令官大將寺內壽一命令參謀長岡部，親自率領作戰部長橋本等近百人，前往濟南成立"大本營派遣班指揮所"，指揮和協調華北方麵軍和華中方麵軍從南北兩麵進攻徐州。【與蔣汪當局的酷愛虛榮、好大喜功、諱疾忌醫不同，日本人比較勇於檢討、善於反省。因而，在整個抗戰期間，中國軍隊在一次大捷之後，往往會有大敗。中國當局往往誇張戰術勝利，而回避掩飾戰役失敗。】
由於中國方麵太醉心於對局部勝利的宣傳攻勢，對日本潰軍的反攻不堅決，未能乘勝擴大戰果，給敵以喘息機會。1938年4月上中旬，日華北方麵軍派出兩個師團的兵力，完成對第5、第10師團的增援。隨即於16、18日分別由臨沂西北和棗莊嶧城從西北兩麵包圍進攻台兒莊陣地，守軍第2集團軍和第20、第3軍團及第27軍團第59軍頑強抗擊，持續戰鬥至4月底。
4月底5月初，日軍大本營派遣班完成戰爭方案並著手實施：從華北方麵軍和華中方麵軍所在地北平、河北、山西、蒙古、江蘇、安徽等處調集13個精銳師團共30萬人，增調150架戰鬥機，兵分六路，以徐州為中心，組成12個包圍圈，實施大圍殲。為防止中國軍隊判斷出他們的戰略意圖，日軍以師團為單位實施牽製和遠距離迂回戰術，在初期盡量避免與我國軍隊交戰。
華北方麵：派遣班命令第5、第10師團"扣住當麵之敵"，牽製中國守軍於韓莊、邳縣(今邳州)和郯城一線。隨即令第16師團從濟寧南下，向碭山、唐寨地區急進，從西北方向包圍徐州；第114師團向台兒莊方向推進，接替第10師團陣地；第10師團從臨城渡過微山湖南下，從正北麵進攻徐州；還調第14師團在濮縣地區渡過黃河，截斷隴海線，阻止中國方麵對徐州的增援。