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第五十九军奋战到29日，援军赶到，张自忠下令全线反击，迫使日军向汤头方向溃逃，取得第二次临沂战役的胜利。
两次临沂战役，号称“铁军”的板垣师团两次败北，板垣大觉羞辱，差一点自杀。日军撤退时，他连大衣和手杖都来不及带走，被张自忠的部下缴获。
板垣败绩累累，矶谷师团仍在向南推进，逼近滕县。李宗仁把孙震的第四十一军从郑州调到山东滕县。3月15日，孙震军刚刚部署就绪，矶谷师团就发起了攻击。日军几十架飞机和三十多门大炮狂轰滥炸，代理军长兼前方总指挥王铭章督战死守。李宗仁见滕县危险，又急令新拨归第五战区指挥的第二十军团司令汤恩伯派部队驰援。汤恩伯的主力是王仲廉的第八十一军，因行程太远，未能及时赶到。17日晚，日军攻陷滕县，王铭章在激战中腹部中弹，血流如注，为了不做俘虏，举枪自戕，壮烈殉国。日军20日攻占郅县，沿台枣支线向台儿庄阵地突进。
对矶谷军事行动的后果，李宗仁有充分的估计：台儿庄一失，不但前功尽弃，士气和民气受到巨大挫伤，国内恐日病大涨，而且会给日后的战略转移带来难以想象的损失。
这时，白崇禧从武汉赶到徐州。他在动身之前，邀请周恩来和叶剑英到他的寓所，请教作战方案。周恩来知道，李宗仁的部队在津浦路南段至徐州以北受到日军南北夹击，他建议在津浦路南段以运动战为主，以游击战为辅，牵制南京方面的日军不敢贸然北上；把主力放在徐州以北，阵地战与运动战相结合，守点打援，各个击破。白崇禧对周恩来的方案深表赞赏。他在徐州协助李宗仁指挥时，基本采取了这个方案。
不久，张爱萍受周恩来委托，在徐州会见了李宗仁。张爱萍说，日军侵占济南以后南下，孤军深入，骄兵必败。济南以南徐州以北的地形很好，台儿庄一带都是山区，对守军有利。广西军队是有战斗力的，北边有八路军在战略上配合，集中兵力打一个大仗，可以给日军一次沉重的打击。
李宗仁沉默不语地听着张爱萍的提议。当张爱萍讲到桂军可以藉此在民众中和国民党中提高威信时，李宗仁高兴起来，说他认为这个意见很好，请张爱萍向周恩来致谢。
李宗仁为了确保台儿庄，决定动用最善防守的孙连仲第二集团军，命令孙连仲派三个师沿运河布防，扼守台儿庄正面阵地。他同意张爱萍的看法：矶谷在前次战役中占了上风，会等不及蚌埠方面的援军北进，便直扑台儿庄，以期一举攻下徐州，夺取打通津浦路的首功。
李宗仁决定布设圈套。他命令汤恩伯手下的两个师，让开津浦路正面，诱敌深入，等到矶谷直扑台儿庄时，从后面攻击日军，与孙连仲一起将日军围歼。战事的发展，正如李宗仁所料，日军从滕县南下，不顾汤恩伯的部队，直扑台儿庄。大约四万人的矶谷师团，拥有七八十辆坦克与一百多尊山野炮和重炮，重轻机关枪不计其数。23日，日军冲到台儿庄北泥沟车站，徐州城内已可闻炮声，台儿庄战役的帷幕正式拉开。
3月24日，蒋介石到徐州视察，命令白崇禧、林蔚和刘斐等人组织临时参谋团，在徐州协助李宗仁指挥作战。
同一天，日军采用攻打滕县的战术，猛烈轰击孙连仲部队的防御工事，接着以坦克为前导，向守军阵地推进。狂风暴雨般的枪炮弹，把台儿庄外围阵地工事基本摧毁，日军步步逼近，攻势凌厉。孙连仲的部队一无平射炮，二无坦克，无法反击。但他们知道，台儿庄是他们的光荣，也是他们的坟地，便和逼近的日军拼肉搏，和横冲直撞的日军坦克同归于尽。日军仗着武器精良，冲入城内。守军在城内与日军展开激烈巷战。
松井石根：扬日本武威，慑服中国（9）
25日，日军进攻南洛，池峰城第三十一师的第一八五团主动出击，第三营营长高鸿立率全营士兵与日军拼杀，夺取日军的大炮。日军一千多人在二十多辆坦克掩护下向第三营猛扑。团长王郁彬率领第一营和第二营赶来增援，血战两昼夜，王郁彬和高鸿立负伤。27日，日军攻破台儿庄北门。池峰城师与日军在庄内展开拉锯战，双方伤亡甚重。日军不断增加兵力，从峄县调来四千多人增援。
津浦路的守军得到了空军支援。中国空军第三大队猛攻日军前沿阵地，为地面部队扫除日军重武器和坦克。在日军阵地对面，中国的陆军官兵们跃出战壕，把军帽和水壶抛向天空。他们不在乎对面有无数日军的枪口，自己很可能成为日军的靶子。他们控制不住兴奋和激动。几个月来，他们一见到飞机就躲。天上只有日军，大长地面日军的志气。他们长期被来自空中的打击压制着，无奈地看着战友在凌空而下的枪弹下伤亡。现在，空中飞来了中国人的保护神，把日军炸得趴在地面，他们昂奋地欢呼，心中的委屈荡然无存。
空军官兵们原来酷爱空战，觉得地面空袭的任务不够刺激。现在，他们从中国步兵奋不顾身的欢呼中领悟到了神圣的责任，意识到地空配合的重要性。他们喜悦，骄傲，心酸，还有几分内疚。
陆军需要空军，陆军真诚地感谢空中的战友。李宗仁通过无线电对空军第三大队长吴汝鎏说：“太好了！太好了！谢谢你们。如果陆军能帮上什么忙，请你们尽管开口。”
空军不用陆军再说什么，频繁出动，轰炸日军的车站和补给船，扫荡日军的阵地和集结点。3月25日，第三大队轰炸封丘的日军阵地和焦作的日军列车，还袭击了集结在临城的日军。
28日，日军攻入台儿庄西北角，企图攻占西门，切断池峰城师部与庄内的联系。池峰城指挥炮火压制日军，组织几十名敢死队员与日军格斗。29日，日军濑谷支队派兵增援，占领了台儿庄东半部。
这时，担负台儿庄中央防线北面防御的汤恩伯军团，在峰山和枣庄一带同日军打了几天，不顾台儿庄危急，转移到姑婆山区躲起来。李宗仁严令汤恩伯迅速南下，协同孙连仲夹击台儿庄正面的日军。汤恩伯为了保存实力，不顾军令，赖在姑婆山迟疑不进。李宗仁深知他一贯自恃是蒋介石的嫡系，骄横不可一世，也不敢轻易得罪，只好三令五申，晓以大义，还是打动不了汤恩伯。
这边战火熊熊，战斗惨烈，那边养兵观望，无动于衷。李宗仁焦急痛苦，再次电告汤恩伯：“如再不听命令，贻误战机，当以军法论处，同韩复榘同样下场。”汤恩伯敬酒不吃吃罚酒，李宗仁下了死令，他才率军南下。
然而，台儿庄这边，孙连仲的部队伤亡殆尽，全庄四分之三的地盘落入敌手。日军在电台里宣称已将台儿庄占领，一面调集重炮和坦克疯狂冲击，企图一鼓作气拿下台儿庄。孙连仲知道，继续孤军死守，将全军覆亡。4月5日，他与李宗仁通电话，要求把部队暂时撤到运河南岸，给第二集团军留点“种子”。孙连仲的语调几乎是哀求，李宗仁深知他的处境何等艰难，但他更清楚台儿庄在战略上的重要性！
李宗仁估算，汤恩伯军团第二天中午可以赶到台儿庄北部，便对孙连仲说：“敌我在台儿庄已血战一周，胜负之数决定于最后五分钟。援军明日中午可到，我本人也将于明晨来台儿庄督战，你务必守到明天拂晓。”李宗仁怕孙连仲的情绪影响士气，又下令：“我的命令如若违抗，当军法从事。”
孙连仲和李宗仁只有过一面之缘，但听别人说过，李宗仁在战区司令长官当中，属于比较通情的一位，现在李宗仁下死令，可见台儿庄对整个会战至关重要，而李宗仁对战役的胜利满怀信心。于是，他坚决地表态：“我绝对服从命令，直到整个集团军拼完。”
孙连仲的态度，使李宗仁略感宽慰，但他还不放心，又对孙连仲说：“今夜你还须向敌人袭击，以打破敌军明晨拂晓攻击的计划，则汤军团明日中午到达后，我们便可对敌人实行内外夹击。”
孙连仲说：“部队已经用完，夜袭不容易。”
李宗仁说：“我现在悬赏十万元，你将后方凡可拿枪的士兵、担架兵、炊事兵与前线士兵一起集合起来，组织一支敢死队，实行夜袭。这十万元将来按人平分。”
孙连仲将李宗仁的命令传达下去，一支几百人的敢死队很快组织起来。当天午夜，敢死队分组袭击日军，人人精神振奋。日军经过十来天的血战，精疲力竭，正在梦乡，听到枪声，乱作一团，边战边退。日军所占的台儿庄各街，不到一小时内，被守军夺回四分之三。李宗仁得到孙连仲夜袭成功的报告，又得到汤恩伯军团天明前可赶到台儿庄的消息，兴奋不已。他连夜动身，赶到台儿庄郊外，准备亲自指挥对矶谷师团的歼灭战。
矶谷师团的厄运降临了。6日黎明，台儿庄北面枪炮声渐密，汤恩伯军团已向日军开火。矶谷自知陷入重围，开始动摇，下令全线撤退。当晚，李宗仁指挥守军全线出击。孙连仲集团军被攻击了这么多天，一听反击，精神振发，杀声震天。日军已成强弩之末，弹药和汽油也用完了，机动车多被击毁，全师团丧魂落魄，狼狈逃窜。李宗仁下令猛追，日军遗尸遍野，辎重到处散落，矶谷率残部拼命突围。
松井石根：扬日本武威，慑服中国（10）
李宗仁后来说：“临沂战役最大的收获，就是将板垣、矶谷两师团拟在台儿庄会师的计划彻底粉碎，砍断了津浦路北段日军的左臂，促成台儿庄血战时，矶谷师团孤军深入为我围歼的契机。”
津浦战役和台儿庄大捷，歼灭日军两万多人，缴获大批武器弹药，粉碎了日本“三个月灭亡中国”的计划，振奋了民族抗战精神，是中国在抗战初期继平型关大捷之后取得的又一次重大胜利。
黄河决口暂挡日军，民众灾难巨大（1）
黄河决口暂时阻挡了日军，却给民众带来巨大灾难。
日军大本营密切关注台儿庄战役，发现中国在徐州地区集结重兵集团，认为逮住了沉重打击中国军队主力的好机会。战役刚刚结束，日军就决定用华北方面军的四个师团向陇海沿线进攻，封锁兰封以东地区，切断中国军队退路，以主力南下，进攻徐州。日本华中派遣军派出三个师团从南面策应华北方面军作战。他们企图一举消灭中国军队主力，占领徐州要地和津浦铁路全线。
而中国方面，蒋介石决定扩大台儿庄战役的战果，将各战区精锐部队大批调往徐州，准备在这里同日军决战。第五战区的兵力增加到六十四个师另三个旅，约四十五万人。李宗仁将军队编为五个兵团，李品仙的淮南兵团下辖三个军，廖磊的淮北兵团下辖四个军，孙连仲的鲁南兵团下辖九个军，汤恩伯的陇海兵团下辖三个军，韩德勤的苏北兵团下辖两个军。各兵团以徐州为中心，分别阻击日军。
日军对徐州的进攻，从5月中旬开始。中岛师团在9日从山东济宁南下，迅速向安徽砀山、唐寨地区推进，从西面攻击徐州。在徐州北面，土肥原师团在12日从濮县地区南渡黄河，派出一支部队，在内黄集附近截断了陇海铁路交通线。板垣师团在山东南部同中国军队激战几天之后，渡过运河向宿县推进，然后进攻徐州。在徐州南面，日本华中派遣军的荻洲师团在9日攻占安徽蒙城，13日到达徐州西南的永城。吉住