日军方面由华中派遣军司令官畑俊六和华北方面军司令官寺内寿一指挥，共计8个师团又3个旅团、2个支队约24万人，分兵南、北夹击徐州。
中国方面第五战区司令长官李宗仁指挥64个师又3个旅约60万人，展开激烈抵抗。
在徐州以南地区，日军华中派遣军司令官畑俊六指挥第13师团于1月26日向安徽凤阳、蚌埠进攻，后攻占临淮关、蚌埠，强渡淮河并向北岸发起进攻。
中国军队经过英勇抵抗，于3月初恢复淮河以北全部阵地，并将南岸军队集中到北岸，隔河与日军对峙。
在徐州以北地区。日军华北方面军第2集团军司令官西尾寿率部于2月下旬分路南犯，东路第5师团连陷沂水、莒县、日照，直扑临沂，中国第40军和第59军反击并重创日军，迫其向莒县撤退。
西路日军第10师团长濑支队从济宁地区西渡运河，向嘉祥进攻，遭第3集团军顽强抵抗，进攻受挫。
濑谷支队沿津浦铁路南进进攻滕县，中国第22集团军第41军英勇抗击，苦战至17日，守城的第122师师长王铭章殉国，滕县失守。
在台儿庄地区。3月20日，日军濑谷支队南进，连陷临城（今薛城）、枣庄、韩庄后，孤军深入，向台儿庄突进，企图一举攻占徐州。
李宗仁命令第2集团军固守台儿庄，第20军团军诱敌深入，第3集团军进至临城、枣庄以北，断敌后路。
日军为解台儿庄正面之危，以第5师团坂本支队从临沂驰援，亦被中国第52军包围。
4月3日，中国第五战区发起全线反攻，激战4天，歼灭日军濑谷支队大部、坂本支队一部共万余人，其余日军残部向峄城、枣庄撤退。
也就是在范文林刚刚到达徐州会战的前夕，台儿庄战役刚刚取得了战略性胜利。
台儿庄大捷后，中国统帅部令第五战区集中兵力于徐州附近，准备再次聚歼日军。
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