临沂中国军队实力薄弱，3月中，张自忠将军率部两次驰援，两次击退日军，取得两次临沂保卫战的胜利，给骄横的坂原师团以沉重打击。而且，临沂保卫战的胜利，使日军第5、10师团会师企图失败，为台儿庄歼敌奠定了有利基础。
在日军第10师团方向即津浦路正面，2月中旬，中国军队一部主动袭击济宁，给日军造成1000余人伤亡，牵制了日军行动。从3月24日至4月7日，中国军队集中兵力不避牺牲，反复猛烈地攻击突入徐州附近要地台儿庄之日军第10师团濑谷支队（旅团），使之除小部突围外，大部1万余人被歼，中国军队取得抗战以来一次重大胜利。
日军动用坦克
台儿庄大捷后，蒋介石决定乘胜扩大战果，向徐州地区大量增兵，欲在此与日军决战。
但是，日本大本营察觉到徐州地区集结大量中国军队后，于4月7日制定了《徐州地区作战指导要领》，重新部署共计6个师团的兵力再次南北推进，包围中国军队，企图一举消灭中国军队主力。中国军队经过逐次激烈的抵抗后，未能阻止日军攻势，至5月15日，日军完成对徐州地区的包围。在危急形势下，中国方面决定放弃徐州，至21日，徐州地区中国守军主动撤离。
徐州会战历时4个多月，日军虽然大通了津浦线，但妄图打击中国军队主力的目标却未能达成。再次打破日军速战速决的企图。而中国军队将日本主力吸引到津浦线上，暂时转移了日军的进攻方向，为部署尔后的抗战初期最后一场关键大会战武汉保卫战赢得了宝贵时间，尤其是台儿庄大捷大大鼓舞了全国人民的抗战意志。
