倭軍分兵攻擊園上、孟莊、彭村、邵莊、陶溝橋等村莊。倭軍以噴火槍掃射，所過皆著。遠近村落俱烈火熊熊，黑煙漫天。國軍難以藏身，從各院落衝出，與倭軍白刃相拚，殺聲震天。血戰一日，國軍陣地俱為倭軍所占。台兒莊所近各處，皆有倭軍攻擊。國軍各部據陣死守，死傷慘烈。
於是倭軍源源不斷進入台兒莊。時倭軍已據有台兒莊大部。戰至此時，兩軍之間，易於守備，攻則力竭。國軍傷亡萬餘眾，殘部仍守南關一隅，背靠運河，死拚不退。孫連仲急向李宗仁救援。李宗仁言手中無兵，湯恩伯部明日可達台兒莊，我軍將內外夾擊倭寇。此時兩軍俱疲，可夜襲倭軍。孫連仲聞言失色，道：“我部預備隊皆在前線抗敵，無人擔當夜襲之任。”李宗仁道：“我現懸賞10萬元，仿魯兄可將後方凡可拿槍之人，如擔架兵、炊事兵等眾集合，組織一敢死隊，實行夜襲。這十萬塊錢將來按人平分。重賞之下，必有勇夫，你好自為之，勝負之數，在此一舉！”孫連仲放下電話，遍視左右，道：“我等可夜襲倭寇。”眾人聞言怔悚，麵麵相覷。孫連仲執刀而起。眾人方知孫連仲此言為真，趕忙持槍渡河。
時倭軍連日酣戰，俱已疲憊，隻道國軍已殘，無力再戰。國軍趁夜突襲倭軍，倭軍大亂，各俱奔走。忽湯恩伯部從後攻打倭軍，以迫擊炮轟擊倭軍甚烈。倭軍前後受攻，死傷甚多，於路盡棄屍體，不及收拾，狼奔豕突，往北撤去。湯恩伯部人多勢眾，步步緊逼，將阪本主力圍於秋湖地區。阪本支隊拚死撞出重圍，折返臨沂。
翌日，瀨穀支隊整軍再戰，不利。國軍四麵而來，彈至如雨。倭軍所過，將房屋盡悉焚毀，隻見村村火焰衝天。倭軍力竭，仍持進攻之態。兩軍近身相攻，互相投擲手榴彈。國軍退去。忽國軍飛機轟炸敵陣。倭軍死者一地，狼狽極甚。倭軍欲退，收拾沿途屍體，設火葬場焚燒屍體。忽國軍猛烈炮擊火葬場。倭軍盡皆膽寒，軍心大亂，無法相持，退至河浜附近。國軍攻擊愈烈，炮彈如蝗飛來。倭軍未及焚燒屍體，隻將房屋放火焚燒，匆匆逃走。台兒莊中，未及逃走之倭軍數百。文昌閣之倭軍自爆彈藥身亡；城莊東南之倭軍舉火自焚，累及房舍為烈焰所廢，其餘潛匿之倭軍，拒不投降，俱自盡。國軍將佐見了，皆大撼：倭軍臨陣，戰則拚命，敗則自裁，可見倭軍戰力之盛。
時國軍分兵多路，不時攻襲倭軍。倭軍退至滄浪廟、園上、東莊、李莊、陶溝橋等處。國軍數路來攻。倭軍彈盡糧絕，如驚弓之鳥，棄陣北逃，餓則劫掠民舍，眠則猶睜一眼。倭軍至劉橋、劉家湖暫歇。國軍尾隨追來，隨即炮擊倭軍駐地。倭軍措手不及，盡棄汽車、馬騾等輜重而遠遁。國軍各俱爭功，四下裏追來。倭軍自侵華以來，屢攻得利，耀武揚威，不想今日慘敗如此。