台兒莊外圍的序戰落下帷幕之後，沿台棗支線南下的日軍第十師團開始進犯台兒莊。孫集團軍死守台兒莊，在正麵進行陣地戰，湯軍團則在台兒莊以敵之側背進行運動戰，配合孫集團夾擊進犯台兒莊之敵。該軍團最初渡過河，經台兒莊北上，繞過嶧、棗，向抱犢崮山地迂回進攻郭裏集、嶧縣、台兒莊，隨即由山地迂回到台兒莊東北側擊敵之後路，進而由腰裏徐、柿樹園迂到洪山、蘭陵，腰擊由沂河西岸向西增援之第五師團阪本支隊，最後仍迂回到台兒莊東北側襲敵之後路。湯軍團20天內在抱犢崮、台兒莊百餘公裏的地區來回走了8次，始終保持自主的機動的態勢，尋求敵人，進行側背攻擊。孫連仲集團軍布防台兒莊中央戰場，以池峰城第三十一師守衛台兒莊，擔負誘敵深入，堅守城寨，避免決戰，以便幫助友軍完成魯南殲滅戰的任務。又以張金照第三十師、黃樵鬆第二十七師為台兒莊中央戰場左、右兩翼出擊部隊，攻打台兒莊周圍敵之據點，切斷台兒莊內外敵之聯絡線，並阻止嶧、棗之敵南下增援台兒莊。孫集團軍在台兒莊守點打援艱苦支撐達半月之久，同敵軍進行了激烈的巷戰，創造了“室戰牆戰”的戰爭奇跡。最後我軍在城內的陣地僅剩1/4，台兒莊幾不能保時，仍屹然未動，直至湯軍團南下，大敗阪本支隊，瀨穀支隊全線崩潰，解除了台兒莊之危，湯軍團會合孫集團軍適時抓住戰機，發起總攻，終於造成了台兒莊大捷。
在台兒莊實行遊擊戰，是我軍的既定方針。遊擊隊的基幹部隊是五戰區所屬集團軍、軍團、軍及省屬地方保安部隊，此外尚有各地民眾武裝（如皖北紅槍會及嶧、棗一帶“4縣邊聯教導隊”等遊擊隊）。遊擊隊分布於整個戰區，遍及津浦線南北兩段，淮河兩岸，徐海地帶，淮陰以南、魯東南沿海地區，魯南山地，魯西地區及膠濟、隴海沿線。遊擊隊擾襲敵人據點，破壞交通，配合台兒莊正麵戰場，給日軍以很大的打擊。
台兒莊戰役同淞滬會戰的形勢十分相像。日軍左翼從濟寧到韓莊的垂直線，與瀏河、嘉定、廣福、南翔線相等；臨沂保衛戰等於死守閘北、江灣之戰；台兒莊的形勢同淞滬戰場上的大場完全類似。日軍在台兒莊所采用的戰略戰術與淞滬會戰並無不同，但是台兒莊戰役汲取了上海的教訓，不是單純消極防守的陣地戰，而是采取攻勢防禦戰，以運動戰為主，與陣地戰、遊擊戰相配合，一變過去節節敗退、坐等挨打的被動局麵，而改為處處進擊的相當主動的形勢。由於新戰略戰術的運用成功，我軍防禦戰與攻擊戰雙管齊下，運動戰與陣地戰、遊擊戰巧妙配合，終於擊敗了敵人，取得了勝利。
台兒莊戰役的勝利，使蔣介石更加相信攻勢防禦戰方針的正確性。他告訴端納說，他已決定以運動戰取代陣地戰，中國今後要選擇自己的戰場，使日本人在炮兵、坦克、飛機和重武器方麵的優勢喪失作用。中國軍隊逐步找到了戰勝日軍的方法，這使其後的武漢會戰我軍未落下風，使中日戰爭很快便進入戰略相持階段。
（六）台兒莊戰役的勝利是中華民族團結一致，共同對敵的結果
台兒莊戰役中，各部隊服從統一指揮，協調一致，互相配合，以及民眾積極支援前線，是勝利的重要原因之一，並為8年抗戰樹立了楷模。台兒莊戰役的主力部隊都是從各戰區抽調來徐州的，參戰的部隊有中央軍（湯恩伯第二十軍團、李仙洲第九十二軍），原西北軍（孫連仲第二集團軍、張自忠第五十九軍、龐炳勳第四十軍、孫桐萱第三集團軍），原東北軍（於學忠第五十一軍、繆激流第五十七軍），浙軍（第七十五軍），晉軍（商震部第一三九師）、桂軍（廖磊第二十一集團軍、李品仙第十一集團軍）及川軍（第二十二集團軍）等，這是中國軍隊在日本帝國主義者入侵後團結抗戰的生動體現。眾多的部隊從各戰區迅速開來，服從戰區的統一指揮，在李宗仁的指揮下，抱著必死之信念，奮勇殺敵。