2月9至10日，日军分别在蚌埠、临淮关强渡淮河，向北岸发起进攻。李品仙调东北军于学忠51军至淮河沿岸，阻敌越河北进，再令西北军张自忠率59军驰援，协同于部顽强抗击日军。
随后，廖磊率桂系第21集团军赶到淮河南岸，分两路出击，周祖晃率第七军由定远进击铁路线；韦云淞率第48军固守炉桥地区，并协同31军进攻刘府、蚌埠日军。经过激战，桂军歼灭日军一千余人，击毁装甲车10余辆。至3月初，桂军收复淮河以北全部阵地。
整个徐州会战期间，桂军坚守淮河70多日，直至掩护参加徐州会战的60万中国军队主力安全转移，令南线日军始终无法北上，迫使日军大本营不得不放弃“南北夹击”战略，转而令北线日军孤军深入，从而为台儿庄大捷创造了条件。
西北军保卫临沂川军死守滕县
1938年2月下旬，东路日军王牌坂垣第5师团从潍坊南下，连陷沂水、莒县、日照，直扑临沂。李宗仁电令驻守东海、连云港的庞炳勋第40军，火速赶到临沂坚守。第40军节节抵抗，与敌苦战多日。
3月10日，日军在强大火力掩护下，向临沂猛攻，庞炳勋连电告急。李宗仁急电张自忠59军增援临沂，并特派战区参谋长徐祖诒赴临沂督战指导。张、庞两支西北军与日军血战5日，以伤亡1万余人的代价，歼敌约3000余人，迫其向莒县撤退，获蒋委员长电令嘉奖。
此时，北路日军矶谷第10师团濑谷支队由邹县（今邹城）南下，进攻滕县（今滕州）。孙震率川军第22集团军（下辖第41军、45军）奉命阻敌，师长王铭章奉命指挥41军122、124两师守卫滕县。
3月14日拂晓，滕县外围战打响。王铭章指挥41军官兵以简陋的武器装备奋勇杀敌。日军不断增兵，万余人在飞机、大批、坦克掩护下，发起全面进攻，滕县成为一座孤城。集团军总司令孙震接到蒋委员长电话，命川军在滕县死守，以待汤恩伯率军前来增援。王铭章激励全体官兵与滕县共存亡。
3月16日，王铭章指挥川军，在激战中身中7弹，英勇殉国，写下川军抗战最光荣一页。41军官兵仍孤军奋战，与日军搏斗到18日上午，为国军主力在台儿庄地区完成战略合围争取了宝贵的时间。
在滕县沦陷的同时，军委会又自程潜第一战区调来西北军孙连仲第二集团军和中央军汤恩伯第二十军团增援第五战区。
3月23日，坂垣第5师团复派增援部队4000余人，再度反攻临沂。张自忠59军奉命重返临沂，与庞炳勋部并肩战斗至3月29日，临沂又处于危急之中。
李宗仁令驻海州的第57军王肇治旅赴临沂增援，蒋委员长也令汤恩伯部骑兵团赶来增援，终于挫败了日军，为国军集结主力、部署台儿庄决战争取了时间。
蒋介石亲临前线视察白崇禧部署增援台儿庄
1938年3月20日，日军矶谷第10师团攻占滕县后，在飞机的掩护下，集中4万兵力，配以坦克、大炮，开始向台儿庄进攻，企图一举攻占徐州。
李宗仁根据军委会意图，以孙连仲第二集团军防守台儿庄运河一线，令中央军汤恩伯军团让开津浦铁路正面，转入山区，诱敌深入，待机拊敌侧背，聚歼日军。
3月24日，日军2000多人在飞机、大炮和坦克的配合下，大举向台儿庄进攻。就在这一天，最高统帅蒋介石率军委会白崇禧等人亲赴徐州前线视察督导，调配兵力。蒋委员长不顾个人安危，在白崇禧、李宗仁、徐永昌等人的陪同下，亲赴台儿庄南车站会见勉励负责防守台儿庄的池峰城师长，前线将士士气大振，池峰城等人表示与阵地共存亡，以报国家民族，以报委座知遇之恩。
蒋介石离开徐州前，特别留下副参谋总长白崇禧、军政部次长林蔚、军令部第一厅（作战）厅长刘斐等人组成参谋团，协助李宗仁指挥作战。
3月24日当晚，白崇禧冒着浓烈的硝烟，先后来到孙连仲集团军指挥部和台儿庄南站池峰城指挥部视察督导。他向孙连仲、池峰城等人说明坚守台儿庄对整个会战的重要意义，并指示孙连仲、池峰城以攻势防御战术阻敌。白崇禧目睹台儿庄惨烈的战况，见池峰城师仅有步机枪与迫击炮，势必难挡日军强大的火力。于是，他当场打电话给开封第一战区司令长官程潜和李宗仁，把军委会支配的当时中国仅有的铁甲战车、战防炮团紧急调来，增援台儿庄池峰城部。
空中血战广西勇士与敌同归于尽
徐州会战之英勇国军。
3月25日凌晨，军委会下令空军配合陆军向日军反击作战。空军第三大队大队长吴汝鎏率领第7、第8两个中队的14架苏式战机，从河南归德机场飞往台儿庄—韩庄一带，对日军地面阵地实施轮番攻击，炸毁了设在一所小学里的日军司令部。
当飞临靠近台儿庄的马牧集上空时，埋伏在云层中的24架敌驱逐机突然冲出，向我战机发动猛烈进攻。吴汝鎏指挥作战机群，在台儿庄上空数十公里范围之内，与敌机激烈搏斗。第8中队副队长、广西人何信被数架日机围攻，胸中三弹，身负重伤，依然坚持作战，趁敌机上升的瞬间向其开火，从而又打中了一架敌机。最后，在弹尽油绝的情况下，何信放弃跳伞求生的机会，驾机猛然撞向另一架敌机，与敌同归于尽。
此次空战，中国空军共击落敌6架双翼水冷式驱逐机，击伤2架，中方损失战机7架，何信等3位飞行员壮烈牺牲。台儿庄地区数十万中国军民亲眼目睹了抗战以来，中国空军痛歼日机的惊心动魄空战。
至死不退西北军血战台儿庄
左起：第二集团军总司令孙连仲、30军军长田镇南（中）、31师师长池峰城在研究作战。
