）由兩下店向中國軍隊的陣地進攻，很快突破前哨陣地，被阻于深井、界河、普陽山及龍山等主陣地帶以北之線。
孫震接到第五戰區“滕縣為津浦路北段要點，關系全局，應竭力死守”的電令後，命第41軍前方總指揮、第122師師長王銘章加強滕縣城防。
15日黃昏，界河陣地被日軍突破。
濑谷支隊以主力進攻滕縣，以一部兵力迂回至滕縣以南，切斷滕縣守軍的退路，并向臨城攻擊前進。
此時，滕縣城關雖然番号很多，但實際戰鬥部隊隻有11個步兵連、1個迫擊炮連，約2000人，另外還有4個特務連約500人、地方武裝約500人，總計3000餘人。
16日8時，日軍開始攻擊，一度由炮火擊毀之缺口突入東關，被守軍以密集的手榴彈擊退。
從10時至16時，日軍對東關發起5次沖擊，均被擊退。
但守軍傷亡太多，3次從城中調預備隊補充。
當日17時，日軍發起第6次沖擊，突擊部隊改為三梯隊波恨式沖擊，同時，延伸火力向東門及城内實施攔阻射擊，以阻止城内增援。
經激烈肉搏，黃昏時，日軍沖入東關。
當夜，守軍反擊，将突人日軍大部殲滅，收複東關。
17日，日軍在飛機、炮兵掩護下，再度向東關進攻，仍無進展。
下午，将主突方向改在南城。
先以炮兵火力集中轟擊城牆，緻城上守軍大部犧牲。
戰至15時，日軍由坍塌處突入城内。
王銘章在城中指揮巷戰，激戰至夜，守軍已各自為戰，失去指揮。
王銘章企圖至西關車站組織該處殘部繼續防守，在缒城轉移中中彈犧牲。
城中守軍殘部，仍人自為戰，逐屋抗擊。
直至18日中午，日軍才完全占領滕縣城。
日軍第5師團坂本支隊，為配合津浦路正面第10師團的作戰，3月9日，由湯頭向臨沂東北地區之第40軍發起進攻。
守軍雖拼命抵抗，但陣地仍不斷被突破，第40軍被壓迫至臨沂城關地區。
3月12日，張自忠率第59軍由峄縣以急行軍到達臨沂城西。
當晚議定：第59軍于沂河西岸船流至大小姜莊間渡河，側擊相公莊、亭子頭一帶日軍；第40軍在沂河東岸，正面反攻，與第59軍呼應，包圍當面日軍。
14日4時，第59軍各部強渡沂河，開始進攻，第40軍第39師亦開始反攻，激戰至15日，先後攻占亭子頭、徐太平、大太平等六七個村莊。
日軍被迫南退。
16日拂曉，日援軍到達，轉為反擊，由沙嶺子渡沂河向第59軍第38師後方猛攻，占領船流、劉家湖。
張自忠急令進至河東的部隊全部撤回河西，阻擊突至河西日軍。
雙方在劉家湖展開激烈的肉搏争奪戰，“劉家湖失而複得者4次，崖頭失而複得者3次，茶葉山一度被敵占領，旋即奪回”。
至17日上午，第59軍已傷亡6000餘人，第一線的營長傷亡三分之一，連排長全部易人。
此時，日軍困傷亡甚衆已無力進攻。
張自忠掌握戰機，集中全力組織反擊，于當日黃昏發動進攻，激戰竟夜，以逐室争奪之肉搏戰，終将河西日軍大部擊殲。
日軍第11聯隊長野佑一郎以下傷亡3000寺人。
日軍退至莒縣、湯頭。
18日24時，龐炳勳報告臨沂戰況，說日軍“傷五千餘，亡三千餘”。
李宗仁據之判斷、日軍暫時無力組織進攻，而19日峄縣失守，津浦路正面緊張，遂于20日電令第59軍留1個旅，協同第40軍守臨沂，主力乘虛向滕縣前進，截擊日軍，日軍闆本支隊在湯頭稍事整頓，21日又轉為攻勢。
第40軍兵力單薄，又未得到補充，節節後退，至22日，撤至臨沂東郊陣地。
23日，蔣介石電令張自忠不必去滕縣，全軍仍協助第40軍防守臨沂。
24日，第59軍返回臨沂。
25日，第40軍桃園、三官廟陣地被突破，第59軍第38師3個團渡沂河，夜襲桃園日軍。
26日，沂河兩岸激戰終日，第38師受挫，退回河西；第59軍縮短戰線，退至十裡鋪、前後崗頭之線，臨沂形勢危急。
李宗仁急令第57軍第111師第333旅及第29軍團騎兵團馳援。
27日拂曉，日軍将主攻方向指向第59軍。
至28日夜，第59軍已傷亡8000餘人。
29日，援軍到達。
此時，日軍第2軍因濑谷支隊在台兒莊方面戰況危急，令第5師團派部救援，闆本支隊中止進攻，留2個大隊在臨沂附近，主力向南轉進。
臨沂形勢暫時緩和。
臨沂地區1個多月的戰鬥，第59軍及第40軍共傷亡萬餘人。
日軍第5師團傷亡3000餘人，未能攻占臨沂。
這是該師團入侵中國以來，繼平型關後的第二次受挫。
日濑谷支隊占領臨城、滕縣後，19日擊退剛剛調至沙溝布防之第20軍團第85軍第2師一部，進占韓莊、峄縣。
因臨沂方面坂本支隊受挫，濑谷支隊受命派一部兵力向臨沂前進，以一部兵力向台兒莊前進，主力集結于峄縣臨城附近。
3月22日，軍委會增調至第五戰區的第2集團軍（總司令孫連仲，轄第30軍第30、第31師，第42軍第27師及獨立44旅），先後到達徐州、台兒莊地區，第20軍團（軍團長湯恩伯，轄第52軍第2、第25師，第85軍第4、第89師，第13軍第110師及獨立騎兵團）正向蘭陵鎮集結和向青山、雲谷山迂回，準備側擊峄縣、棗莊日軍。
命其于24日拂曉開始進攻。
23日，第31師師長池峰城派乜子彬旅長率1個團向峄縣攻擊前進，日軍進攻台兒莊的派遣隊也由峄縣向台兒莊攻擊前進。
雙方在獐山遭遇。
第31師被迫後退，日軍當晚占領嵫洛。
24日，中國空軍為支援第20軍團進攻，拂曉後以轟炸機14架襲擊韓莊、臨城及棗莊日軍。
但第20軍團并未按命令開始進攻。
直至當晚，第85軍進至棗莊以北雲谷山、神山地區，第52軍在洪山鎮、蘭陵鎮地區。
當日，蔣介石至徐州視察、将随行的副參謀總長白崇禧及軍令部次長林蔚等留第五戰區，協助李宗仁策劃作戰。
同時，令第31師防守台兒莊。
25日，進入郭裡集第52軍25師75旅一部，發現日軍東進臨沂大隊的先遣中隊正在村東北角大碉堡内，遂将其包圍進行攻擊，經戰，擊退棗莊來援日軍，将該中隊日軍大部擊殲，僅10餘人突圍逃回棗莊。
第52軍第2師曾向棗莊進攻，但被擊退。
湯恩伯率第85軍仍在抱犢崮山區，僅派出1個旅協同第52軍作戰，而該旅又僅派出1個團，團又僅派出幾個排的兵力，在棗莊外圍進行襲擾。
第2師退走時，該旅亦退回抱犢崮。
進攻台兒莊之日軍于24日黃昏進至台兒莊附近。
台兒莊南靠運河北岸，四周有長約4公裡的磚砌城牆，建有大小碉堡多座，共有6個城門，城西南文昌閣為全城制高點。
日軍以猛烈炮火摧毀了東北城牆，一度突入城内，被第31師擊退，遂在北郊構築工事待援。
25日，懶谷啟支隊長派2個中隊增援進攻台兒莊的部隊，黃昏前後到達台兒莊，立