台兒莊地區作戰月0日，日軍第10師瀨穀支隊南進連陷臨城（今薛城）、棗莊、韓莊後，不顧第5師和第10師長瀨支隊在其兩側進攻受阻，孤軍深入，向台兒莊突進，企圖一舉攻占徐州。李宗仁以第集團軍總司令孫連仲率部固守台兒莊，第0軍團軍團長湯恩伯率部讓開津浦鐵路正麵，轉入蘭陵及其西北雲穀山區，誘敵深入，待機破敵。月日，日軍由棗莊南下，在台兒莊北側的康莊、泥溝地區與守軍警戒部隊接戰。4日起，日軍反複向台兒莊猛攻，多次攻入莊內。守軍第集團軍頑強抗擊，與日軍展開激烈的爭奪戰。第五戰區以第0軍團主力向台兒莊機動，拊敵側背，與第集團軍形成內外夾擊之勢，並令第集團軍進至臨城、棗莊以北，斷敵後路。日軍為解台兒莊正麵之危，速以第5師阪本支隊（相當於團）從臨沂馳援，進至蘭陵北麵的秋湖地區，即被第0軍團第5軍卷擊包圍。4月日，第五戰區發起全線反攻，激戰四，殲滅日軍瀨穀支隊大部、阪本支隊一部共萬餘人。其餘日軍殘部於7日向嶧城、棗莊撤退。
徐州附近地區作戰中國最高軍事當局令第五戰區集中兵力於徐州附近，準備再次聚殲日軍。日軍改以部分兵力在正麵牽製對方，主力向西迂回，企圖從側後包圍徐州，殲滅第五戰區主力。198年4月18日，日軍第10、第5師分別從山東嶧城（今屬棗莊）和臨沂西北的義堂地區南進，對守軍第集團軍和第0、第軍團及第7軍團第59軍實施牽製性進攻。守軍頑強抗擊，至月底，將日軍阻止在韓莊、邳縣（今邳州）和郯城一線。5月5日，日軍開始從南北兩個方麵向徐州西側迂回包圍。在南麵，第9、第1師從蚌埠地區分別沿北淝河、渦河西岸北進，至1日，陷蒙城、永城（屬河南）後，向江蘇蕭縣、碭山（今均屬安徽）進攻；第師由蚌埠進入大營集地區，向宿縣（今宿州）進攻。在北麵，第16師由山東濟寧渡運河，至14日，連陷鄆城、單縣、金鄉、魚台後，向江蘇豐縣、碭山推進；第14師從河南濮陽南渡黃河，陷山東菏澤、曹縣後，直插河南蘭封（今蘭考）；同時，第10師將韓莊、台兒莊地區的作戰交由第114師接替後，在夏鎮附近渡過微山湖，向沛縣（屬江蘇）進攻。由於日軍已形成對徐州的四麵合圍態勢，5月15日，中國最高軍事會議決定放棄徐州。16日，第五戰區命令各部隊分別向豫、皖邊界山區突圍。19日徐州陷落。日軍沿隴海鐵路西進，6月6日占領開封。為阻止日軍前進，蔣介石9日下令在鄭州東北花園口附近炸開黃河大堤，河水經中牟、尉氏沿賈魯河南泛。日軍被迫向黃泛區以東地區撤退。會戰結束。
戰果
此役，中國軍隊廣大官兵英勇奮戰，首先在南線將日軍阻止在淮河南岸，打破其與北線日軍會合的企圖；繼而在北線將東路日軍擊敗於臨沂地區，又將西路日軍之右翼阻止在嘉祥地區，粉碎日軍在台兒莊會師的計劃。在台兒莊地區作戰中，第五戰區采取積極防禦戰法，以一部擔任內線防禦，另一部置於外線作戰，攻防結合，靈活機動，獲得大捷。隨後，最高軍事當局不顧敵強我弱的總體形勢，調集大軍在徐州附近，企圖與日軍決戰，因而使會戰在後期陷於被動。盡管如此，這次會戰消耗了日軍有生力量，遲滯了日軍進攻速度，為部署武漢保衛戰贏得了時間。