南京沦陷后，日军沿津浦铁路夹击徐州，欲贯通南北全占华东。为增强实力，第五战区司令李宗仁调入四处受排挤的川军王铭章部，又力劝蒋介石复职张自忠。韩复榘为保存实力弃守济南，不久泰安亦告失守，津浦路北大门洞开，蒋介石枪毙韩复榘以正军纪。坂垣师团南下临沂屠杀当地百姓，欲在台儿庄会师矶谷师团，第3军团庞炳勋部固守临沂伤亡过半。张自忠闻言知意主动增援昔日仇敌，星夜疾驰强渡沂水击敌背侧解围临沂。矶谷师团孤军南进，王铭章部固守滕县，血战三日未能等到援军全师覆没。第2集团军孙连仲部布防台儿庄，骑兵连前出搜索诱敌深入。矶谷师团在飞机、大炮和坦克配合下大举进攻台儿庄。虽有孙桐萱部夜袭摧毁大汶口机场，但台儿庄守军池峰城部在血战中几近覆没。左翼孙连仲部和右翼第20军团汤恩伯部发起反击，矶谷师团撤退不及大部被歼。