1938年3月，日军最精锐的第五师团向临沂进犯，而原本在津浦铁路作战的日军第十师团也向台儿庄推进，就此拉开了台儿庄战役的序幕。14日，日军第十师团向台儿庄以北的藤县发动进攻，中国守军122、124师奋起还击。18日，日军在飞机、大炮和坦克的掩护之下，最终冲入城内，藤县失守，122师师长、参谋长及大部分官兵壮烈牺牲。
日军在攻占藤县之后，不顾第五师团在临沂受阻，继续向台儿庄推进，而中国第五战区司令长官李宗仁则命令汤恩伯的第20军在津浦铁路阻止日军南下，并命令孙仲连的第2集团军前往台儿庄。23日，日军向台儿庄发动进攻，中国军队奋勇抵抗，日军始终寸步未进。26日之后，日军在第十师团主力到达台儿庄之后，再度发起猛烈进攻，中国军队在一度丧失台儿庄大部的情况下，竟然凭借数百人的敢死队，历经残酷肉搏重新在4月3日夺回了大部分地盘。
与此同时，孙桐萱的第三集团军则经过奋勇拼杀，断绝了台儿庄日军的补给线，汤恩伯则在李宗仁的命令下南下协助孙仲连夹击日军。4月6日，日军在夹击之下最终溃败，主力被全歼，只有数百人的残部得以突围。在李宗仁、白崇禧、孙连仲、汤恩伯、张自忠、田镇南、关麟征、池峰城、王铭章等人的指挥下，中国军队历经一个月血战，先后毙伤日军11984人（另说2万余人），俘虏719人，缴获大炮31门，装甲车11辆，大小战车8辆，轻重机枪1000余挺，步枪10000余支。
此战是中国军队在正面战场首次击败日军，不仅极大增强了全国军民的抗战决心，鼓舞了抗日军队的士气，而且改变了国际上对中国战局前途的看法，英国报刊便曾发表了赞扬此战中国胜利的评论，也为中国争取外援增添了有利条件。
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