仅派出1个旅协同第52军作战，而该旅又仅派出1个团，团又仅派出几个排的兵力，在枣庄外围进行袭扰。第2师退走时，该旅亦退回抱犊崮。

    进攻台儿庄之日军于24日黄昏进至台儿庄附近。台儿庄南靠运河北岸，四周有长约4公里的砖砌城墙，建有大小碉堡多座，共有6个城门，城西南文昌阁为全城制高点。日军以猛烈炮火摧毁了东北城墙，一度突入城内，被第31师击退，遂在北郊构筑工事待援。25日，懒谷启支队长派2个中队增援进攻台儿庄的部队，黄昏前后到达台儿庄，立即遭到第31师的反击。26日凌晨再向濑谷启求援。濑谷启再派第63联队长福荣真平率第3大队赴台儿庄。27日，日军向台儿庄发起2次猛攻，占领城墙东北角，一部突入城内，与第31师反击部队展开激烈巷战。突人日军被压迫于城内大庙附近。但第31师损失极大，4天激战，伤亡2800余人。为利于战斗，池峰城将全师缩编为7个战斗营。当晚17时许，福荣真平率日援军到达台儿庄附近，台儿庄形势更趋严峻。

    李宗仁根据台儿庄战情紧急而第20军团主力仍未进攻枣、峄的情况，令汤恩伯“放弃攻击峄县、枣庄之计划，速以一部监视当面之敌，以主力向南转进，先歼灭台儿庄之敌”。孙连仲也直接致电汤恩伯，请其“全力攻击敌之侧背，支援台儿庄战斗”。汤恩伯即令第52军星夜南下，夹击日军。28日，日军集中兵力，在30余辆战车引导下，与前日突入城中之日军协同，对台儿庄发动猛攻。第2集团军除以第31师据守台儿庄阵地抗击外，令第27、第30师及独立44旅从东、西向日军侧翼及后方反击。空军也首次以9架战斗机直接支援守军战斗，对士气鼓舞很大。进攻日军占领西北角后即被阻，但突入城中的日军却乘机扩大战果。第31师将所有能够战斗的勤杂人员全部组织起来投入战斗，展开肉搏拉锯战，隔墙相击，逐屋争夺，阵地成犬牙交错状态。29日，日军第2军司令官西尾寿造见第63联队攻击受阻，而中国军队第20军团正向南进，第63联队有被围歼危险，遂令第5师团坂本支队暂停攻击临沂，急向台儿庄方面增援。同时，令第10师团濑谷支队主力增援台儿庄前线。

    李宗仁见第20军团迟迟未至，28、29两日，连续下令催其“迅速南下夹击”。30日晨，濑谷启率第10联队及战车队从峄县南下，21时到达台儿以西、以北。李宗仁再次电令汤恩伯，“限31日拂晓到达”。台儿庄内日军得知濑谷支队主力来援，全力向外扩张，推进至城南运河北岸。孙连仲派第30师第176团入城增援，与第31师协同，据守西半城阵地，拼死血战，遏止了日军的扩张势头。31日，日军虽极力攻击，仍无进展。第10师团长矶谷廉介又调该师团驻济宁的第39联队1个大队配属第10联队，加强其攻击能力。

    30日夜，第20军团先头部队到达甘露寺附近。31日，向獐城以东日军进攻，占领兰成店三佛楼等地，中午前后，担任侧背警戒的骑兵团与由临沂西进的坂本支队发生战斗。第85军第89师前往应援，在邵家庄附近被击退。汤恩伯急调第4师至向城阻击，力避免被日军东西夹击，决心把所有兵力“一律由内线转为外线”，放弃对獐山的攻击，“乘夜与敌脱离”，撤至洪山镇以东地区。4月1日，第52军与板本支队激战于兰陵镇以北。

    孙连仲为歼灭台儿庄内日军，决定由城外向日军占领的街区夜袭。令第27师挑选250人为奋勇队，另以1个营为后继，同时令第31师配合第27师夜袭部队向占领城西北角之敌进攻。4月1日夜，第27师奋勇队及第157团第2营由台儿庄东北角突入城中，攻占东北隅及东南门，与日军巷战，第30师第175团第3营向西北城角日军进攻，经激烈肉搏，将其击退，并歼其一部。