敌为了扩大在山东的占领区，华北方面军于2月4日向其第2军下达了攻占至鲁南大运河一线的命令。依此西尾寿造令在兖州的第10师团派出一部进攻济宁、汶上及大运河两岸地区的孙桐萱第3集团军；令在青岛的第5师团派出一部由潍县南下，攻向临沂地区，以策应第10师团在鲁南大运河地区的作战。
由于韩复榘率第3集团军主力撤至鲁西南的曹州地区，仅留一部于济宁的运河两岸与敌对峙，使鲁中、鲁南的防务顿形空虚。因而，敌军很快占领至津浦路上的邹县及鲁中山区的莱芜、蒙阴、泗水地区。为此第5战区急调战区预备队邓锡侯的第22集团军、由苏、鲁、豫边区开抵鲁南的滕县、临城；庞炳勋的第3军团火速由海州开向临沂；于学忠的第51军除留一部于蚌埠之外，主力开赴徐州以西的黄口、砀山，以阻止敌军南进。
但此时敌之第5师团已经占领了胶济铁路，敌海军也于1月10日占领了青岛。青岛市长沈鸿烈率海军陆战队退至诸城、沂水地区。
为阻止敌军前进，预作保卫武汉的部署。蒋介石将军于1月11日从武昌飞抵开封，召集第1、第5战区的部分团长以上干部训话，重点指出当前保持津浦铁路中段与河南省黄河北岸的道清铁路对屏障武汉的重要意义。同时将作战不力的第3集团军总司令韩复榘扣押，解送武汉，并于1月24日处以极刑，以严肃军纪。
（一）敌第10、第5师团各一部攻向鲁南
进攻济宁地区的第10师团第8旅团长长濑武平率步兵4个半大队，野炮兵两个大队，于2月17日与原在济宁附近的第39联队一起向孙桐萱的第3集团军进攻。2月26日越过了大运河而占领了嘉祥，并在其周围进行扫荡，主力则控制在济宁地区。
向临沂地区进犯的敌军，是由第5师团第21联队长片野定见大佐指挥的步兵一个半大队，炮兵一个中队。这部敌军于2月21日从潍县乘汽车，经安丘、景芝、相州、诸城、汪湖，当日到达莒县东北的招贤镇，22日开始攻击莒县。守军第3军团一部与敌激战一天半之后撤出，23日中午莒县被敌21联队占领。当日，板垣的第5师团继续向临沂地区增兵，派其第21旅团长坂本顺少将率第11联队、第21联队、第42联队的各一个大队，野炮兵第5联队的两个大队、山炮兵1个中队至莒县。坂本旅团从莒县南进，经战斗后于3月5日到达了临沂东北的汤头镇，并作攻击临沂的准备。
临沂是鲁南的重镇，又是军事要地，如敌人占领该地，向南则威胁着陇海铁路东段与连云港，向西则威胁着徐州。为保卫这一地区，第5战区已于1月7日将驻于海州一带的庞炳勋第3军团调至临沂，当情况紧急时，蒋介石将军电令庞炳勋“……须诱致敌军于适当地点，聚歼之，临沂城绝对不能弃守”。并同时令第5战区调张自忠的第59军前往增援，第5战区参谋长徐祖贻亦前往该地指导作战。
这时敌第5师团的进攻部队，已到达临沂以北约15公里的沂河以东之尤家庄、范家墩、青墩寺、相公庄一线；其另一部则到达了临沂以北、沂河西岸之钓鱼台、刘家湖、崖头、茶叶山、李官庄附近一线。也就是说，此时敌已控制了临沂以北15公里之外的沂河两岸地区，与守军第3军团进行着激烈的争夺战，敌之进攻重点在沂河东岸。
当59军到达临沂西北郊时，徐祖贻根据战场情况，于3月12日确定如下反击作战部署：
（一）第59军以一部前出至临沂以北、沂河以西，占领茶叶山、崖头、刘家湖之线阵地，向沂河以东之葛沟、白塔进行侧击以牵制敌人；主力从沂河西岸之船流至大小姜庄之间渡过沂河。向东作右回旋攻击，与第40军相呼应，围歼敌主力于停子头、东庄屯、相公庄一线以南地区。陆战队在茶叶山以北之东里、暂归59军指挥，从驻地东进，渡过沂河，对东岸之葛沟进行侧击。
（二）第40军由临沂城东南约8公里沂河以东之黄山，临沂城东北约8公里沂河以东之桃园一线，向北作左回旋进攻，与59军相呼应围歼敌人。
（三）作战地境为十字路（临沂以北约15公里，沂河以西）、范家墩（沂河以东）、相公庄、孙旺店一线，线上各点属第40军。
（四）以上各部应于13日晚准备完毕，于14日拂晓开始攻击。
按以上计划，3月14日临沂守军发动猛烈进攻，经4天的激战至18日，终于将敌第5师团的大部从临沂以北约15公里一线的尤家庄、范家墩、青墩寺、相公庄，以及沂河东岸公路沿线的停子头、大太平、徐太平、郭太平、沙岭、白塔一带地区予以歼灭，残敌后退至汤头镇及以北之莒县。40军之一部则向莒县方向追击。19日，第40军、第59军在已包围汤头镇时，3月20日，59军奉第5战区的命令，除留38师112旅于临沂归第3军团指挥外，其余部队迅速经费县西进，截击津浦路滕县南北地区之敌，于20日23时30分撤离临沂战场而向东北的费县前进。这样临沂战场上的兵力即形不足，而且此时敌已组织反击。为改变这种逐渐不利的情况，蒋介石将军于3月23日下令：59军不必向泗水、滕县分兵，应全军协助第40军歼灭临沂北方之敌。
快速行动的59军，虽然于3月24日的傍晚已回到了临沂的西郊，但此时的战场情况已迥然不同，敌已接近临沂北郊的三官庙、东郊的石埠岭。59军随即派出38师的3个团增援40军，至临沂城北的三官庙及桃园一带，40军的补充团则开抵临沂城东的九曲店。经25日夜间的激战，虽然收复了桃园，但三官庙未能攻克。从此临沂战局更为不利，第3军团及第59军均陷入苦战。此时津浦线中段及台儿庄地区之战事亦正在激烈进行。3月25日，关于临沂战场的苦战情况，庞炳勋军团长向第5战区作了如下报告：
（一）敌自攻击以来陆续增加，现至4000余人，炮火昼夜不停，往复突击肉搏多次，我师、旅长躬在阵地督察指挥，战斗之烈空前，毙敌无算，我伤亡甚重，现剩有战斗兵计115旅全旅500－600人；117旅800余人（这两旅均属39师）补充团亦仅700人，其余尚在调查中。
本日已将军属特务营、学生队等均加入阵线，现军、师部，即一连之预备队亦无。
再，所有轻重火器被敌炮毁及自行损坏者已逾半数，现正激战中。
（二）职军前摧破板埴部队，已苦战月余。今当敌新锐之众，纵伤亡十之七八，然为国家、为主义而奋斗，全体官兵抗战精神始终贯注，死而无怨，益自北伐十余年以来革命素志如愿以偿。惟当此紧要关头，遭此摧残，杀敌有心恨乏实力，揆之现势，临沂城危急万分。
在临沂战场担任作战指导的徐祖贻，此时亦感情况严重，于26日下午向战区提出了增兵要求：
（一）庞军兵力损失过巨，现虽勉守九曲店、小李家庄、石埠岭、黄山之线，但敌如再攻击，河东难支。
（二）张军占朱高、古城村、南曲坊之线，昨天以数团兵力渡河占领桃园，今早攻三官庙损失极大遂停进攻。下午独盘头方面反攻桃园极烈，同时营子乾、沂庄、沙埠庄亦发现步炮联合约千名之敌，不得不以一部应付。正面过大已无进攻能力。
（三）敌似又有增加，实数未详，约不下四五千，兵器及弹药似均充足。现临沂城在敌炮有效射程内，军团部虽拟后移，但恐动摇前方意志及影响于守城部队。张之军部尚在古城，亦受义堂集方面威胁。
（四）此方兵力，庞军已失战斗力，张军实力虽剩半数而士气较前甚差。非有生力援军临沂难守，祈早决定。
因徐祖贻的请求，第5战区于当日决定调驻赣榆的57军111师王肇治之333旅前往增援，并归59军指挥。但此时的临沂战场，情况依然危急。张自忠于3月29日4时亦向第5战区作了报告：
（一）当面之敌自27日上午7时开始，向我古城、南沙埠、小岭北道（以上地点均在临沂城西北不远之郊区）攻击后，复于28日增加约千余人，炮十二三门，附以飞机往复轰炸，密集炮火射击，林中房屋多着火焚烧，烟焰迷漫。
我军喋血抗战前仆后继，毙敌甚重遗尸遍野，战事激烈为前所未有，我守军血战两昼夜全部壮烈牺牲。现为节省兵力计，在七得、前后七里屯、韦家村、前后岗头一带（在临沂城北部、西部）占领阵地。
（二）据报28日午，有敌步、骑约500余人；经费县东南之探沂庄向西南运动。
（三）汤部骑兵团及缪军（指缪瀓流之57军）之1旅均未到达。
（四）职军两日以来伤亡2000余人，连前此伤亡达万余人。职一息尚存决与敌奋战到底。
在张自忠发出这份战况报告时，敌第5师团已三面包围了临沂城。即东面之敌正攻击城东南之黄山、城东之石埠岭、九曲店，城东北之三官庙，与第3军团守备在沂河东岸的部队进行激战；在临沂城以北的王家岔河（枋河向沂河汇流处）、七得，以及临沂城西北之十里铺、八里屯、小岭，临沂城以西之古城一带，59军亦正在与敌反复冲杀；为使一线阵地有兵可用，将临沂城交由鲁南保安部队的两个团防守。
3月29日的夜间，因敌21旅团长坂本顺根据师团命令，暂停对临沂地区的进攻，只留两个步兵大队于原地，另4个步兵大队两个野炮兵大队，由坂本率领去台儿庄，增援第10师团的23旅团，临沂战场情况才稍有缓和。根据这一情况，守军即于当夜的22时发动了全线反击。增援的王肇治之第333旅亦于临沂城南之东高都，向西北枋河沿岸之角沂庄攻击并歼灭了敌人，收复了该地，该旅营长于竹幽在战斗中牺牲。59军收复了角沂庄以西的二十里铺，40军击退了向九曲店进攻之敌。增援的20军团之骑兵团则向临沂西北的义堂集、艾山追击。
由于敌第5师团长板垣征四郎亲率一部于3月31日到达临沂增援，去台儿庄的坂本顺4个步兵大队、两个炮兵大队于4月5日又返回临沂。第5战区在4月6日收复台儿庄后即继续向临沂增援，但未能扭转临沂地区的战局。
此时，国民党军在临沂地区的作战序列为：
第5战区 参谋长 徐祖贻
第3军团 军团长 庞炳勋
第40军 军长 庞炳勋 兼
第39师 师长 马法五
补充团 团长 李振清
鲁南 保安司令 张里元 （行政专员）
5战区 第2游击司令 刘震东 （牺牲于莒县）
陆战队 司令 张赫炎
第59军 军长 张自忠
第38师 师长 黄维纲
第180师 师长 刘振三
第333旅 旅长 王肇治
骑兵13旅 旅长 姚景川 （4月6日到临沂、从山西省调来）
骑兵第9师 师长 张德顺 4月4日至临沂1个旅
第13师 师长 吴良琛 4月6日至临沂
第21师 师长 李仙洲 4月19日到临沂
第20军团之骑兵团
由于援兵相继到达，临沂外围的防守，又经历了20天的浴血苦战，部队伤亡相当严重，有些已不成建制。而且敌第5师团主力于4月14日已到达了临沂地区。按照第5战区的命令，第3军团、第59军等撤离了临沂战场，4月19日夜间，39师117旅长李运通，经与从西北角水田突入城内之敌巷战后，率部退出临沂城，4月19日该城被敌第5师团占领。
攻占临沂之敌，随之南进，于4月24日占领了40军防守之郯城，接近了陇海路东段，威胁着以东的海州、以西之徐州的铁路交通。
临沂保卫战，从2月下旬至4月中旬前后达50多天，英勇的守军在装备处于劣势的情况下，在消灭大量敌人的同时，自己也付出了11921人伤亡和失踪的高昂代价。
（二）滕县保卫战
为打击津浦路当面之敌，第5战区孙震的第22集团军2月7日奉命进攻邹县，其部署为：
（一）以陈鼎勋的第45军之125师进攻邹县以南的两下店铁路两侧地区，127师位于滕县、界河，其757团向邹县、曲阜地区进行游击；
（二）王铭章（122师师长、代军长）之第41军位于临城、韩庄，但第王24师之370旅应部署于两下店以西的石墙地区，以增强该地的防卫力量；
（三）集团军总司令部位于临城。
第125师（陈鼎勋兼师长）于2月14日以373旅主力进攻两下店，一部绕袭邹县。川军第22集团军，装备的都是轻武器，而敌第10师团防守的火力较强，结果进攻数日未能奏效，至2月18日第125师撤回至界河地区。第127师的757团先向邹县以北的曲阜地区进行了游击袭扰敌人，之后即在界河与两下店之间继续进行游击活动，与敌在这一地区对峙。
2月下旬，敌第10师团第8旅团进攻济宁以西地区的作战已经结束，因而逐渐向邹县地区集结兵力，准备沿铁路向南进犯。为此，孙震的第22集团军于3月8日对部队又作了新的部署，即：增强正面防御，以两个师部署在两下店以南的铁路两侧；加大纵深配备，以两个师分段部署在防御正面的后方铁路沿线，即：
（一）在邹县南的铁路以西之石墙、石马坡、铁路以东之金山、普阳山、香城等第一线防御地区，路东由第125师、路西由第124师主力防守，铁路当面及以西附近之黄家山，由第127师一部防守。
（二）在邹县以南的界河至以东的龙山第2线防御地区，第127师主力防守界河；第125师防守龙山。
（三）第122师一部，位于滕县以北的北沙河第3防御地带，一部位于滕县待命。
当第5战区的部队在鲁南进行防御准备时，敌第2军根据华北方面军3月10日关于：击溃大运河以北中国军队主力，恢复占领区内治安，充实和提高部队作战能力的命令，于3月13日决定：
（一）矶谷廉介的第10师团以一个旅团，从津浦路的邹县南下，攻占滕县、临城，歼灭在这一地区的中国军队，占领至大运河以北地区。
（二）板垣征四郎的第5师团占领沂州后，以一部西进至峄县附近，协助第10师团作战。
（三）上述任务达成后，部队在鲁南的滕县和临沂一线，进行以后之作战准备。
第10师团于3月14日早晨开始向鲁南进攻，其攻击部队是濑谷启的第33旅团及配属部队。该敌由邹县以南的两下店出发，从铁路两侧向南进攻，沿途虽遭到抗击，15日傍晚到达滕县附近。第10师团知守军在大运河这一带的防御较强，因而对33旅团配属了较强的特种部队，计有：
独立机关枪第10大队；
独立轻装甲车第10、第12中队；
野炮兵第10联队6个中队；
野战重炮兵第1旅团之第2联队两个大队；
中国驻屯野炮兵第3大队（15公分口径榴弹炮兵两个中队）；
临时野炮兵中队
工兵1个中队
兵站汽车1个中队。
敌第10师团从邹县发起进攻后，国民党军即向鲁南增调部队。3月15日调驻河南商丘、安徽亳县一带的汤恩伯第20军团至鲁南，在微山湖以东的临城、枣庄、向城一线及以北山区布防，以增强津浦路正面和以东山区的防御兵力；3月18日令孙桐萱的第3集团军一部，从济宁以南渡至南阳湖以东，向邹县以西地区进攻以牵制敌人；3月22日，又调孙连仲的第2集团军由洛阳、郑州，增援徐州，其所属先头的池峰城第31师由铁路运输至台儿庄布防，并暂归汤恩伯的第20军团指挥。增援的汤军团、孙兵团等的编成情况是：
第20军团 军团长 汤恩伯
第85军 军长 王仲廉
第4师 师长 陈大庆
第89师 师长 张雪中
第52军 军长 关麟征
第2师 师长 郑洞国
第25师 师长 张耀明
第13军 军长 汤恩伯 兼
第110师 师长 张轸
骑兵团（3月31日由临沂方向调回）
第75军 军长 周碞
第6师 师长 张琪
第93师 师长 甘丽初
第139师 师长 李兆锳
第13师 师长 吴良琛（4月17日由临沂方向调回）
第21师 师长 李仙洲
第333旅 旅长 王肇治（4月1日由临沂方向调来）
炮兵第4团
第2集团军 总司令 孙连仲
第30军 军长 田镇南
第30师 师长 张金照
第31师 师长 池峰城
第42军 军长 冯安邦
第27师 师长 黄樵松
独立第44旅 旅长 吴鹏举
3月15日傍晚，从东面到达滕县的敌濑谷启第33旅团，随之即侦察附近的地形并作了进攻的部署，以赤柴八重藏的第10联队进攻膝县；以福荣真平的第63联队绕至滕县以南的南沙河一带，堵击守军的增援部队。在作好了准备之后，第10联队于16日晨开始攻击，首先是炮兵火力准备，约30门火炮连续向城内与城墙进行轰击，接着是驻南苑机场岛田隆一大佐的第6重轰炸大队对滕县进行轰炸。
守城的川军第122师5个营，在师长王铭章将军率领下，沉着应战，并以严翊少校的1个营防守敌重点进攻的东关，随之又调两个营至东关增援。由于敌连续猛攻，守军大部伤亡，东关于16日傍晚被敌攻占，此时122师在城内的部队仅有11个连，乃将在城北铁路正面北沙河一带抗击敌人的两个营调入城内。
16日，滕县情况紧急时，22集团军即组织部队前往增援，并电令王铭章必须死守。当日，汤恩伯的指挥机关也到达临城，其先头的第4师已到达南沙河以东的龙山、虎山与敌接触。第89师的1个旅已由临城继续北开，以抗击南沙河附近之敌。上述增援部队均因遭敌63联队与其配属的炮兵和装甲部队的阻击而未能到达。
3月17日凌晨2时，敌第10联队从滕县东城墙打开两处缺口，随之由此处向城内突击，均被守军打退。中午，敌以炮兵、空军掩护其步兵继续猛攻东城，城墙又有数处被炸塌、日军即由这些缺口涌向城内，又被英勇的守军打退。但率部英勇抗敌的王麟团长在战斗中同不少士兵一起牺牲。
在战斗相当激烈时，城内守军听到第22集团军增援的部队与敌63联队激战的枪炮声之后，情绪极为高涨，立即组织了突击队向城外冲杀，准备配合援军夹击敌人。由于敌第10师团连续向堵击地区增加兵力：致22集团军增援滕县之部队被迫后撤。当滕县城内守军听到枪炮声逐渐远去的时候，心情开始沉重，但仍决心完成国家交给的杀敌任务，并与防守之阵地共存亡。
3月17日12时15分，第122师师长王铭章将军发出如下城内战况之电报：
……独坐山方面，本日已无友军枪声，想系被阻止。目前敌用野炮、飞机从晨至午不断猛击，城墙缺口数处敌步兵屡登城垣屡被击退。忆 委座成仁之训及开封面渝嘉奖之词，决以死力拒守，以报国家，以报知遇。
14时30分，敌以20多架轰炸机配合其步兵攻城，当敌步兵从南城墙打开的缺口攀登攻城时，守军勇士上等兵潘玉，连连以手榴弹炸毙了以梯子攀登城墙之敌七、八人。
由于敌从东、南两个方向进行连续攀登，虽被大量击毙，仍有数百敌人终于突至城内，随之，即与敌展开了以刺刀、手榴弹的肉搏近战。此时在滕县城内，处处是敌我双方战死者的尸体和伤兵。第122师之旅长王志远、吕康、副旅长汪朝濂、团长张宣武均先后负伤，师长王铭章、师参谋长赵渭滨均牺牲于滕县城内。
在滕县城内之守军一直战斗至17日的晚间，最后由第124师的副师长率领，利用暗夜，从滕县的北门突围，与普阳山一带之守军一起撤向徐州。
3月17日，滕县被敌第10师团步兵第10联队攻占。
为了表彰国民革命军（川军）第122师在滕县英勇杀敌的光辉事迹，国家为该师全体将士树立了记功碑，并追授代军长王铭章以陆军上将军衔。
迂回至滕县以南的敌63联队，3月16日在南沙河与22集团军的部队激战1天后，17日晚占领了临城。此时汤恩伯的第20军团已撤至铁路以东枣庄一带的陶庄、邹坞、西集、北庄、下村、车辋、向城、马庙山区。
（三）敌攻向台儿庄与第五战区之作战部署
3月18日，敌33旅团主力已南进至临城，当天濑谷启决定：一路向南追击至大运河一线；一路向东追击至峄县。即以福荣真平第63联队的第1大队（缺1个中队）由临城沿津浦路追向韩庄；以其第2大队追向峄县。敌占领峄县的目的是为了控制该地区的枣庄煤矿，策应在以东临沂地区第5师团作战。
追击的敌军，于3月20日攻占了韩庄和峄县。当日濑谷启接到第10师团要其占领和确保韩庄至台儿庄运河一线地区，担任临城与峄县的警备，派出一部兵力攻向沂州，协同第5师团作战的命令。
3月22日，福荣真平的第63联队由临城到达了峄县。同日10时濑谷启下达了其旅团进攻台儿庄与协同第5师团作战的命令，主要有：
（一）63联队之第1大队，担任韩庄附近之守备。
（二）63联队之第2大队，野炮兵1个大队，明23日从峄县出发，占领和确保台儿庄及附近运河一线地区。
（三）步兵第10联队主力，明23日由临城出发攻向临沂，策应第5师团第21联队作战。
（四）旅团主力集结于峄县附近。
濑谷启于22日下午，接到航空兵的空中侦察报告：在微山湖上中国军队有约1250只的船队向湖东的夏镇等地进发。根据这一情况，濑谷启决定：第10联队停止攻向临沂；旅团主力亦暂不向峄县集中，仍在临城地区，以应付新的情况；但向台儿庄进攻的部队任务不变。
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