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这时日军却对于华军在台儿庄的布阵，缺乏真正的情报掌握，还以为只要日军运用优势火力狠打，华军就会溃败。蒋介石特别将将刚刚到手的一五五公厘巨炮以及反坦克炮，运到台儿庄前线作战，甚至出动空军，炸射日军（数量当然极其有限，巨炮只有九门而已，飞机也只出动了几个架次），但是这对于华军而言，帮助实在极大，因为华军面对日军优势的火力与坦克的打击，几乎是束手无策的挨打，现在有了可以让日军遭到压制的火力，士气大振，华军先后击毁日军几十辆攻坚的坦克，因此得以守住台儿庄的阵地。
台儿庄的血战，从一九三八年的三月二十五日，日军第十师团进攻到台儿庄阵地，进行到四月七日，日军整个溃败退出台儿庄，总共是十三天十二夜的血战。中、日两军在台儿庄及附近的阵地之中，进行多重包围与反包围的厮杀，在台儿庄内，更是到了逐街、逐房、逐门、逐窗的战斗，日军几度增援，曾经控制了台儿庄四分之三的地区，并且一度准备渡过运河，冲向徐州，但是华军拼死不退，孙连仲将军亲自下令守城的部队，即使全员战死，也绝对不能撤退。同时他也将司令部移往前线，表示必要时自己与司令部也将投入战场作战。
正当中日两军在台儿庄进行阵地争夺的殊死战之时，在台儿庄北部外围的战线上，正是汤恩伯部伺机而动的机会，他眼见矶谷把日军一波波的投入台儿庄战场，正是李宗仁所期待的口袋战术运作。汤恩伯的部队就是负责收紧口袋，切断日军补给线的主力，只要日军补给线一旦遭到切断，所有在台儿庄作战的华军，立刻就会蜂涌而出的进行里外合击，准备把日军予以围歼。三月二十八日，汤恩伯下令部队开始对深入台儿庄的日军，进行合围。直到这时候，矶谷廉介才大惊失色地发现，自己的部队已经深陷华军的包围之中，在台儿庄附近的阵地，华军攻势异常的勇猛，日军部队已遭华军的分割攻击，情况对于日方非常的不妙。在这种危急的状况下，矶谷只有向华北方面军发出求救的电文，华北方面军是绝对没有想到南侵的日军，在大胆的越过禁制线之后，无论是左右两翼的部队，竟然双双的都遭到败仗的打击。而日军大本营更是对于华北方面军不听号令，深入华军阵地，遭到包围而感到震怒，但是却不得不追认事实，要设法支持深入华军阵地的日军。
先前在右翼板垣的第五师团部队，败退到莒县，在得到酒井旅团的支持，正准备向临沂进行反攻，同时由于李宗仁低估日军在右翼的威胁，突在三月二十日，抽调张自忠部向东支持台儿庄战斗。
当张自忠部队刚刚向东调走，日军的板垣师团就立刻反扑临沂，差点击溃华军阵地，张自忠只有发挥在战场的独断指挥判断，直接向军委会请示，而又将部队紧急回防临沂。中日双方的军队正在临沂打成难解难分之际，日本另外的援军本支队由青岛赶到，板垣认为这是报仇良机，准备非在临沂大破张自忠部不可。但是这时在左翼矶谷第十师团已经面临被围歼的危机，因此日本华北方面军越级直接指挥本支队，命其不得投入临沂作战，立刻要以全速向西转进，以解救矶谷的部队，板垣力争无效，三月二十九日，本支队奉令以急行军方式脱离临沂向西转，经向城朝台儿庄阵地急攻，日军一下子就冲到汤恩伯部的侧背，这下子差点把汤恩伯部给反包围起来。因此汤恩伯当机立断地重新打开口袋，命令五十二军向东移动，让本支队进入台儿庄战场。由于
本支队奉十万火急的军命救援矶谷，没有注意到汤恩伯部的移动，以为自己已经打通矶谷部受困的危机。受困的日军在得到支持之后，立刻发动逆袭，台儿庄各处阵地都遭到日军强烈的反攻，孙连仲部陷入苦战之中。
李宗仁在四月七日下令所有参战的华军，掌握日军溃退的战机，全力反击扫荡。一时之间在鲁南地区，华军是四面合击，日军是拼命地奔逃，日军死亡的人数超过一万六千人，是日本皇军自明治维新成军以来，在战场上最大的一场败仗。
24。6 徐州会战
日军在台儿庄与临沂所遭到的挫败，不但震动了华北方面军，更让日本的大本营感到震惊。日军大本营根本没有料到华军竟然能在战局最为低迷的时刻，会如此快速的凝聚战力，对日军展开诱敌深入的包围作战，而且获得如此优异的战果。毫无疑问的，日本皇军终于遭到建军以来的第一场重大的败仗。这时候，日军大本营已经无法再考虑战略上深入与分散的问题了，日军必须立刻设法击败华军，以挽回「皇军无敌」的声誉。
这时候，日军大本营已经无法再考虑战略上深入与分散的问题了，日军必须立刻设法击败华军，以挽回「皇军无敌」的声誉。同时日军大本营掌握到中国正在将超过六十个师的部队，源源投入徐州战场的情报。这是蒋介石是希望李宗仁能够掌握胜利的战机，扩大战果。因此日军大本营匆促的在一九三八年四月七日决定，下令在中国的所有日军部队，不惜一切代价，发动徐州会战，一定要在徐州捕捉到华军主力，予以围歼。
日大本营以八十号大陆命，发出徐州会战的作战命令，动员华北方面军、华中派遣军的主力，投入这场战斗。同时还下令关东军派军支持，由于华北方面军司令官寺内寿一大将，与华中派遣军俊六大将的位阶平行，谁也不会接受对方的指挥，因此只有紧急派遣大本营的作战部长桥本群少将，率领参谋本部的参谋军官，在济南成立大本营派遣班，组织包括华北与华中日军的参谋军官，进行徐州会战的作战协调工作。
当然负责徐州会战的日军，是由华北方面军担任主力攻击，由于蒋介石同时在山西南部发动华军的牵制作战，使得日本华北方面军在山西的部队一再地告急，无法抽调更多的部队参战，因此由关东军抽调的部队，直接支持华北方面军的徐州会战。华北方面军立即整补第五与第十师团部队，在台儿庄北方附近的阵地，进行诱敌拘束的作战，以吸引华军的继续攻击。
然后日军以主力第十八师团，配合关东军的第三、十三两个混成旅团的精锐，沿津浦路的济宁南下，进攻徐州西部。并以第一军的第十四师团，由荷泽渡过黄河，准备在远方截断陇海铁路向西的交通，在一一四师团抵达战场之后，立刻接防第十师团，由第十师团参加第十八师团围堵华军西方撤退的通路。大本营认为徐州是华北方面军的战区，因此规划由华北方面军的部队攻占徐州。
李宗仁此时缺乏旺盛的企图心，不敢利用稍纵即逝的战机，运用优势的兵力，对日军残部，进行加强的猛烈打击而华中派遣军则负责由南向北进攻，第十三与第九师团强渡淮河，北攻徐州，主力是指向经由宿县，而扑向徐州西方的陇海铁路要站砀山，准备和华北方面军的主力在此会师，以达成切断华军西撤通路、在徐州附近围歼大量华军的战略目标，而华中派遣军为了争功，特别又增派第三师团以及两个支队北上，直逼徐州，此外，日军又出动陆战队在登陆连云港，日军对于徐州，进行了三面包围，并且急攻徐州的西部，日军的作战计划是非常的明显，就是要以南北夹击的作战方式，将作战的重点放在截断华军与西方连络的交通补给线，然后在徐州西方，成功的围歼蒋介石刚刚完成整补的华军。
蒋介石对于华军在徐州的作战，几乎是动员一切支持的力量，放手给李宗仁运作指挥。在华军不负众望的取得台儿庄作战胜利之时，蒋介石认为这正是掌握战机，扩大痛击日军的机会，因此将手边能够用上的部队，都调到徐州战场，在最高峰时达到三十四个军，八十九个师，总兵力超过五十五万人。蒋介石并且一再的去电，要求李宗仁，大胆用兵，彻底扫荡战场，并且攻击受困待援的日军，打击前来援救的日军先头部队。
但是此时李宗仁却一味的敷衍蒋介石，将五十万大军在徐州附近像排兵棋般的安顿起来，既无强烈攻击的企图，也无认真扫荡的动作，李宗仁此时缺乏旺盛的企图心＇1＇，不敢利用稍纵即逝的战机，运用优势的兵力，对日军残部，进行加强的猛烈打击，一直等到日本的大军源源到达徐州外围，对华军形成南北夹击的态势，李宗仁在五月十七日才一声令下，整个司令部与所有华军全部西撤。此时掩护撤退的是由张自忠与刘汝明部担负重任，刘汝明部在萧县一带伏击日军第九师团的北上，对日军造成重大伤亡。由于华军掩护得法，撤退的决断又十分的清楚，所以大军能够顺利的退出日军的包围。五月十九日，日军的华中派遣军的十三师团部队，首先攻入徐州空城，又令一心想争功的华北方面军大感挫折。
李宗仁是独断决定由徐州撤退之后，才告知蒋介石这个决定的，而蒋介石仍要求李宗仁，至少能够率军从徐州由东向西攻击日军，蒋则亲自到郑州指挥部队，由河南向东攻击日军。但是李宗仁根本不理会蒋介石的命令，只下令全速的撤军，日军虽然布下天罗地网，要想在徐州西方的附近，捕捉华军主力，但日军判断华军的撤退路线，只能经陇海铁路向西退却，因此南北进兵的日军主力会师计划，都是以截断陇海铁路，防止华军向西方撤退为首要目标。但是当时的华军多数是由西南方向，绕过日军的背后，以化整为零的方式，退出战场，日军虽然攻击到一些分散的队伍，但是却没有包围到华军的主力部队，日军的整个徐州会战攻击，可以说是扑了个空。
虽然日军没有在徐州附近完全合围华军的作战，但