2月9至10日，日軍分別在蚌埠、臨淮關強渡淮河，向北岸發起進攻。李品仙調東北軍于學忠51軍至淮河沿岸，阻敵越河北進，再令西北軍張自忠率59軍馳援，協同於部頑強抗擊日軍。
隨後，廖磊率桂系第21集團軍趕到淮河南岸，分兩路出擊，周祖晃率第七軍由定遠進擊鐵路線；韋雲淞率第48軍固守爐橋地區，並協同31軍進攻劉府、蚌埠日軍。經過激戰，桂軍殲滅日軍一千餘人，擊毀裝甲車10餘輛。至3月初，桂軍收復淮河以北全部陣地。
整個徐州會戰期間，桂軍堅守淮河70多日，直至掩護參加徐州會戰的60萬中國軍隊主力安全轉移，令南線日軍始終無法北上，迫使日軍大本營不得不放棄「南北夾擊」戰略，轉而令北線日軍孤軍深入，從而為台兒莊大捷創造了條件。
西北軍保衛臨沂川軍死守滕縣
1938年2月下旬，東路日軍王牌坂垣第5師團從濰坊南下，連陷沂水、莒縣、日照，直撲臨沂。李宗仁電令駐守東海、連雲港的龐炳勛第40軍，火速趕到臨沂堅守。第40軍節節抵抗，與敵苦戰多日。
3月10日，日軍在強大火力掩護下，向臨沂猛攻，龐炳勛連電告急。李宗仁急電張自忠59軍增援臨沂，並特派戰區參謀長徐祖詒赴臨沂督戰指導。張、龐兩支西北軍與日軍血戰5日，以傷亡1萬餘人的代價，殲敵約3000餘人，迫其向莒縣撤退，獲蔣委員長電令嘉獎。
此時，北路日軍磯谷第10師團瀨谷支隊由鄒縣（今鄒城）南下，進攻滕縣（今滕州）。孫震率川軍第22集團軍（下轄第41軍、45軍）奉命阻敵，師長王銘章奉命指揮41軍122、124兩師守衛滕縣。
3月14日拂曉，滕縣外圍戰打響。王銘章指揮41軍官兵以簡陋的武器裝備奮勇殺敵。日軍不斷增兵，萬餘人在飛機、大批、坦克掩護下，發起全面進攻，滕縣成為一座孤城。集團軍總司令孫震接到蔣委員長電話，命川軍在滕縣死守，以待湯恩伯率軍前來增援。王銘章激勵全體官兵與滕縣共存亡。
3月16日，王銘章指揮川軍，在激戰中身中7彈，英勇殉國，寫下川軍抗戰最光榮一頁。41軍官兵仍孤軍奮戰，與日軍搏鬥到18日上午，為國軍主力在台兒莊地區完成戰略合圍爭取了寶貴的時間。
在滕縣淪陷的同時，軍委會又自程潛第一戰區調來西北軍孫連仲第二集團軍和中央軍湯恩伯第二十軍團增援第五戰區。
3月23日，坂垣第5師團復派增援部隊4000餘人，再度反攻臨沂。張自忠59軍奉命重返臨沂，與龐炳勛部並肩戰鬥至3月29日，臨沂又處於危急之中。
李宗仁令駐海州的第57軍王肇治旅赴臨沂增援，蔣委員長也令湯恩伯部騎兵團趕來增援，終於挫敗了日軍，為國軍集結主力、部署台兒莊決戰爭取了時間。
蔣介石親臨前線視察白崇禧部署增援台兒莊
1938年3月20日，日軍磯谷第10師團攻占滕縣後，在飛機的掩護下，集中4萬兵力，配以坦克、大炮，開始向台兒莊進攻，企圖一舉攻占徐州。
李宗仁根據軍委會意圖，以孫連仲第二集團軍防守台兒莊運河一線，令中央軍湯恩伯軍團讓開津浦鐵路正面，轉入山區，誘敵深入，待機拊敵側背，聚殲日軍。
3月24日，日軍2000多人在飛機、大炮和坦克的配合下，大舉向台兒莊進攻。就在這一天，最高統帥蔣介石率軍委會白崇禧等人親赴徐州前線視察督導，調配兵力。蔣委員長不顧個人安危，在白崇禧、李宗仁、徐永昌等人的陪同下，親赴台兒莊南車站會見勉勵負責防守台兒莊的池峰城師長，前線將士士氣大振，池峰城等人表示與陣地共存亡，以報國家民族，以報委座知遇之恩。
蔣介石離開徐州前，特別留下副參謀總長白崇禧、軍政部次長林蔚、軍令部第一廳（作戰）廳長劉斐等人組成參謀團，協助李宗仁指揮作戰。
3月24日當晚，白崇禧冒著濃烈的硝煙，先後來到孫連仲集團軍指揮部和台兒莊南站池峰城指揮部視察督導。他向孫連仲、池峰城等人說明堅守台兒莊對整個會戰的重要意義，並指示孫連仲、池峰城以攻勢防禦戰術阻敵。白崇禧目睹台兒莊慘烈的戰況，見池峰城師僅有步機槍與迫擊炮，勢必難擋日軍強大的火力。於是，他當場打電話給開封第一戰區司令長官程潛和李宗仁，把軍委會支配的當時中國僅有的鐵甲戰車、戰防炮團緊急調來，增援台兒莊池峰城部。
空中血戰廣西勇士與敵同歸於盡
徐州會戰之英勇國軍。
3月25日凌晨，軍委會下令空軍配合陸軍向日軍反擊作戰。空軍第三大隊大隊長吳汝鎏率領第7、第8兩個中隊的14架蘇式戰機，從河南歸德機場飛往台兒莊—韓莊一帶，對日軍地面陣地實施輪番攻擊，炸毀了設在一所小學裡的日軍司令部。
當飛臨靠近台兒莊的馬牧集上空時，埋伏在雲層中的24架敵驅逐機突然衝出，向我戰機發動猛烈進攻。吳汝鎏指揮作戰機群，在台兒莊上空數十公里範圍之內，與敵機激烈搏鬥。第8中隊副隊長、廣西人何信被數架日機圍攻，胸中三彈，身負重傷，依然堅持作戰，趁敵機上升的瞬間向其開火，從而又打中了一架敵機。最後，在彈盡油絕的情況下，何信放棄跳傘求生的機會，駕機猛然撞向另一架敵機，與敵同歸於盡。
此次空戰，中國空軍共擊落敵6架雙翼水冷式驅逐機，擊傷2架，中方損失戰機7架，何信等3位飛行員壯烈犧牲。台兒莊地區數十萬中國軍民親眼目睹了抗戰以來，中國空軍痛殲日機的驚心動魄空戰。
至死不退西北軍血戰台兒莊
左起：第二集團軍總司令孫連仲、30軍軍長田鎮南（中）、31師師長池峰城在研究作戰。
