1937年12月，侵略华东的日军侵占南京后，第13师北渡长江，进至安徽池河东岸的藕塘、明光一线；侵略华北的日军第2集团军从山东青城、济阳间南渡黄河，占领济南后，进至济宁、蒙阴、青岛一线。日本大本营为打通津浦铁路(天津-浦口),使南北战场联成一片,先后调集8个师另3个旅、2个支队(相当于旅)约24万人，分别由华中派遣军(1938年2月18日由华中方面军改编)司令官畑俊六和华北方面军司令官寺内寿一指挥，实行南北对进，首先攻占华东战略要地徐州，然后沿陇海铁路(兰州─连云港)西取郑州，再沿平汉铁路(北京-汉口)南夺武汉。中国军队由第五战区司令长官李宗仁指挥,先后调集64个师另3个旅约60万人,以主力集中于徐州以北地区，抗击北线日军南犯,一部兵力部署于津浦铁路南段，阻止南线日军北进，以确保徐州。

　　徐州以南地区作战　1938年1月26日,日军第13师向安徽凤阳、蚌埠进攻。守军第11集团军第31军在池河西岸地区逐次抵抗后，向定远、凤阳以西撤退。至2月3日，日军先后攻占临淮关、蚌埠。9～10日，日军第13师主力分别在蚌埠、临淮关强渡淮河，向北岸发起进攻。第51军与日军展开激战，伤亡甚重，12日向澥河、浍河方向撤退。第五战区以第59军军长张自忠率部驰援，进至固镇地区，协同第51军在淮河北岸地区顽强抗击日军。同时，在淮河南岸，以第21集团军第48军固守炉桥地区，第7军协同第31军迂回攻击定远日军侧后，迫日军第13师主力由淮河北岸回援。第59、第51军乘势反攻,至3月初恢复淮河以北全部阵地。第21集团军和第31军旋由淮河南岸向北岸集中。双方隔河对峙。

　　徐州以北地区作战　2月下旬，日军第2集团军开始分路南犯。东路第5师从山东潍县(今潍坊)南下，连陷沂水、莒县、日照,直扑临沂。第3军团第40军等部节节抵抗。第59军奉命驰援,3月12日到达临沂北郊的沂河西岸，协同第40军实施反击，激战5昼夜，重创日军，迫其向莒县撤退。西路日军第10师长濑支队(相当于旅)从济宁地区西渡运河，向嘉祥进攻，遭第3集团军顽强抵抗,进攻受挫；濑谷支队(相当于旅)沿津浦铁路南进，3月14日由邹县(今邹城)以南的两下店进攻滕县(今滕州)。守军第22集团军第41军英勇抗击，伤亡甚重，苦战至17日,该军守城的第122师师长王铭章殉国，滕县失守。

　　台儿庄地区作战　3月20日,日军第10师濑谷支队南进连陷临城(今薛城)、枣庄、韩庄后，不顾第5师和第10师长濑支队在其两侧进攻受阻，孤军深入，向台儿庄突进，企图一举攻占徐州。李宗仁以第2集团军总司令孙连仲率部固守台儿庄，第20军团军团长汤恩伯率部让开津浦铁路正面，转入兰陵及其西北云谷山区，诱敌深入,待机破敌。3月23日，日军由枣庄南下，在台儿庄北侧的康庄、泥沟地区与守军警戒部队接战。24日起，日军反复向台儿庄猛攻，多次攻入庄内。守军第2集团军顽强抗击,与日军展开激烈的争夺战。第五战区以第20军团主力向台儿庄机动，拊敌侧背，与第2集团军形成内外夹击之势，并令第3集团军进至临城、枣庄以北，断敌后路。日军为解台儿庄正面之危，速以第5师坂本支队(相当于团)从临沂驰援,进至兰陵北面的秋湖地区，即被第20军团第52军卷击包围。4月3日，第五战区发起全线反攻，激战四天，歼灭日军濑谷支队大部、坂本支队一部共万余人。其余日军残部于7日向峄城、枣庄撤退。

　　徐州附近地区作战　中国最高军事当局令第五战区集中兵力于徐州附近，准备再次聚歼日军。日军改以部分兵力在正面牵制对方，主力向西迂回，企图从侧后包围徐州，歼灭第五战区主力。4月18日，日军第10、第5师分别从山东峄城(今属枣庄)和临沂西北的义堂地区南进，对守军第2集团军和第20、第3军团及第27军团第59军实施牵制性进攻。守军顽强抗击，至月底，将日军阻止在韩庄、邳县(今邳州)和郯城一线。5月5日，日军开始从南北两个方面向徐州西侧迂回包围。在南面，第9、第13师从蚌埠地区分别沿北淝河、涡河西岸北进，至13日，陷蒙城、永城(属河南)后，向江苏萧县、砀山(今均属安徽)进攻；第3师由蚌埠进入大营集地区，向宿县(今宿州)进攻。在北面，第16师由山东济宁渡运河，至14日，连陷郓城、单县、金乡、鱼台后，向江苏丰县、砀山推进；第14师从河南濮阳南渡黄河，陷山东菏泽、曹县后，直插河南兰封(今兰考)；同时，第10师将韩庄、台儿庄地区的作战交由第114师接替后，在夏镇附近渡过微山湖，向沛县(属江苏)进攻。由于日军已形成对徐州的四面合围态势，5月15日，中国最高军事会议决定放弃徐州。16日，第五战区命令各部队分别向豫、皖边界山区突围。19日徐州陷落。日军沿陇海铁路西进，6月6日占领开封。为阻止日军前进,蒋介石9日下令在郑州东北花园口附近炸开黄河大堤，河水经中牟、尉氏沿贾鲁河南泛。日军被迫向黄泛区以东地区撤退。会战结束。

　　此役，中国军队广大官兵英勇奋战，首先在南线将日军阻止在淮河南岸，打破其与北线日军会合的企图；继而在北线将东路日军击败于临沂地区，又将西路日军之右翼阻止在嘉祥地区，粉碎日军在台儿庄会师的计划。在台儿庄地区作战中，第五战区采取积极防御战法，以一部担任内线防御，另一部置于外线作战，攻防结合，灵活机动，获得大捷。随后，最高军事当局不顾敌强我弱的总体形势，调集大军在徐州附近，企图与日军决战，因而使会战在后期陷于被动。尽管如此，这次会战消耗了日军有生力量，迟滞了日军进攻速度，为部署武汉保卫战赢得了时间。