日军第十师团，继续骄狂地孤军深入，向着台儿庄推进。汤恩伯第二十军团按战区长官部的命令，开赴津浦线，拉开了架势向滕县方向发起了声势浩大的猛攻，边走边打。矶谷命令留守部队冲锋，汤恩伯在望远镜中见矶谷猛扑过来，命令部队虚晃一枪，佯作顶不住状，突然向东面抱犊崮山区转移，让开了津浦路正面的通路。汤恩伯也有心眼，重炮营不便在山区运动，他便命令重炮营开进台儿庄，归战区长官指挥。矶谷果然中计，以为汤恩伯无力抵抗，向东逃窜，也不追击，直接沿津浦路临枣支线向台儿庄扑来。矶谷拥有数万步兵，大小坦克近百辆，山炮、野炮近百尊，轻重机枪不计其数，天上还有30多架飞机助威，轮番在徐州城、临沂、枣庄、台儿庄上空丢炸弹。徐海地区方圆三四百里，陷入一片火海之中，硝烟在天空弥漫，久久不能散去。大部分村庄、树木被烧成木炭，化为灰烬。
第5战区台儿庄会战的作战方针是阵地战与运动战相结合，因此，实现预定作战方案有两支决定性力量：一是担负机动歼敌任务的汤恩伯部（第20军团）；二是担负守备任务的孙连仲部（第2集团军）。而这两支部队并非李宗仁原来的桂系部队，都是在徐州会战开始后，分别从程潜的第1战区和阎锡山的第2战区临时转隶而来的部队。因此，对于战区最高司令的李宗仁，当务之急是要理顺关系、凝聚人心。
最令李宗仁头痛的是汤恩伯及其第20军团。在滕县保守战中，由于第22集团军守备任务艰巨、兵力不足，早在日军开始进攻时，李宗仁曾致电蒋介石，请派军事委员会直接控制于豫东的汤恩伯第20军团第85军的第4师增援津浦路。蒋介石基于徐州会战的特殊地位，也深知第5战区实力太弱（当时全为杂牌军），同意将第20军团投入第5战区管辖的鲁南战场。汤军名义上虽属第5战区管辖，实际上对李宗仁的指令常打折扣，惟蒋命是从。
汤之所以如此狂傲，主要因为第20军团是蒋介石的嫡系部队。汤恩伯的第20军团是6个月之前才组建的一个新军团，直接受国民政府军事委员会统辖，下辖第13、第52、第85三个军和一个独立骑兵团。第13军军长由汤恩伯本人兼任，下辖第110师（师长张轸）；第52军（军长关麟征），下辖第2师（师长郑洞国），第25师（师长张雷明）；第85军（军长王仲廉），下辖第4师（师长陈大庆）、第89师（师长张雪中）。其中，第52军、第85军的军师级干部，大部分是黄埔军校学生，蒋介石视他们为“得意弟子”，因此，对这支部队予以重点装备，配以一定数量的野炮、重炮、坦克，枪械齐全，成为当时国军的精华。
3月14日，正当日军第10师团沿津浦路快速南下，滕县处于危急之时，李宗仁曾电令汤军团长：
敌于津浦北正面增加兵力，大举反攻，以牵制我鲁南之作战。邓部（指川军第22集团军邓锡侯部——引者注）兵少械劣，正面薄弱，两翼空虚，恐难拒敌。已电呈委座，调贵军团85军驻商丘之一整师，由火车输送至滕县附近，作22集团军之总预备队，望即出动为荷！
汤恩伯接到李宗仁的电令后，很不高兴。称李是瞎指挥。抱怨李宗仁：“今天这儿抽我一个师，明天那儿挖我一个师，这么三抽两挖，叫我这个军团长怎么当？再说，我的部队正在河南商丘、安徽亳州一带整训，大兵团在陇海和津浦两条交叉的单轨铁道上输送必须两度换车，我又怎么可能在短短的一夜之间把兵力集中到滕县？”
于是迟迟没有发兵，这也就是22集团军滕县血战时迟迟盼不到援军的重要原因。
但汤恩伯知道李宗仁在电令自己的同时也请示了老蒋，如果不予执行，担心蒋介石怪罪。于是仍不理会李宗仁，先给蒋委员长发一份电报，电文写道：
“蒋委员长。恳以本军团全部调津浦北段出击，避免分割使用，以益战局，而杜分散或作无代价之消耗。
谨呈。汤恩伯。”
当晚汤恩伯收到了蒋介石的电话指令：
“为了策应津浦北段的正面作战，我同意20军团全部调第5战区指挥，准备在临城与敌人决战。所属的第85军，今晚立即从商丘乘车，经徐州向临城输送，务必于17日拂晓前到达临城集结完毕。第52军，即开商丘集结待命，该军团长（汤恩伯——引者注）先到徐州指挥。”
就这样汤恩伯部加入了第5战区的徐州会战。但是，由于之前汤部未能及时增援滕县，战况突变，矶谷的一个旅团，已突破中国军队第22集团军王铭章师在滕县外围各阵地，以机械化部队，沿南沙河一带，猛向官桥、临城一带迂回。此时，汤恩伯所属的52军还远在徐州、归德一带，无法立即赶到临城参战。这么一来，蒋介石、李宗仁希望汤恩伯在临城与敌人决战的企图，随着情况的变化而无法实现了。加之，当时第5战区司令李宗仁并无预备兵团在手，所以只得命令汤恩伯将52军输送到韩庄就下车集结，其意在于加大逐次抵抗的纵深，而在运河北岸巩固一个大桥头堡，来保障徐州的安全。汤恩伯从自身利益出发，并考虑到所担负的机动作战任务，把主力移置于东集、西集、凤凰庄一带，形成对敌侧击的准备，以防战局的恶化。
其实，李宗仁对汤恩伯的担心不无道理。当时，第5战区的作战计划，着眼于在临城与韩庄运河间聚歼日军，所依仗的主力是汤恩伯军团。与后来所进行的台儿庄战役有些出入。其中主要原因固然与当时对日军实力估计不足有关，而汤恩伯没有很好执行命令，采取一定的避战态度则是重要原因，幸亏李宗仁下狠心晓以利害逼其令行禁止，同时关键时刻，蒋介石从全局出发督促汤恩伯，否则后果不堪设想。
在上述计划中，另派一支重要力量即担任台儿庄、运河一线的阻击任务的部队。事后证明，这一方向实际上成为整个台儿庄会战的主角，对于会战的胜利起到了决定性作用，立下了头功。那么，派哪一支部队来担负这一重任呢？李宗仁与参谋人员反复权衡决心启用第2集团军孙连仲部。
第2集团军属于原西北军旧部，总司令孙连仲，字仿鲁，河北雄县人，1893年生，保定中学毕业后投笔从戎。成为冯玉祥的部下后，因为头脑机灵，作战勇敢，受到了冯玉祥的赏识，之后不断升迁，为冯部中的虎将——“十三太保”之一。1930年蒋、冯、阎大战后，冯玉祥集团瓦解，孙连仲部被蒋介石改编为第26路军，孙任总指挥。抗日战争爆发后，26路军又改建为第2集团军，孙仍任总司令。孙连仲部以最善于防守而著称。在北洋军阀统治时期，有名的几次防御战如南田之战、西安守城之战，都是他们打的。抗日战争期间，长城抗战中的喜峰口、罗文峪防御战，孙连仲部均打得很出色。在太原会战的娘子关保卫战中，孙连仲负责扼守娘子关正面阵地，日军在飞机大炮的掩护下，向娘子关猛攻，不能越雷池一步。但他们是国民党军队中的一支杂牌部队，名义上叫集团军，实际上只管辖2个军（30军，军长田镇南；42军，军长冯安邦）。部队的武器装备极差，重兵器很少，枪械混杂，有的士兵甚至仅有一把钢制的大刀作为武器。
滕县之战结束之时，孙连仲的第2集团军奉命在徐州北部的台儿庄阵地进行布防。李宗仁要求孙连仲部在台儿庄附近布下袋形的防御阵地，以吸引日军的攻势，然后下令装备与火力较佳的汤恩伯第20军团，在外围进行运动战，当日军的攻势在台儿庄受到阻挡之后，立即设法由外线进行包围，攻击日军的背侧，形成以内外夹攻的方式围歼日军。为了协同方便，31师暂归第20军团长汤恩伯指挥，待第2集团军司令部到来后，部队再归建制。同时，为了以防万一，防备由于第二集团军兵力损失过大，无力坚守住台儿庄，李长官才下定决心，把刚成军不久的新编十四师这支根本没有战斗经验的中央军嫡系部队，也拉来作为第二集团军后面的预备兵力。如果，李长官的手里还有其它部队可调，他也不会行此下策。
22日，第20军团司令部及52军路经台儿庄时，军团长汤恩伯和52军军长关麟征会晤了池峰城，特别强调31师务须努力堵击敌人的南进。他要求31师以一个旅的兵力进至台儿庄以北的泥沟附近，对峄县方面的敌人实行警戒。还答应在31师与敌接火后，他将率领第20军团主力马上抄袭敌人侧背，协力夹击敌人。31师只要能在台儿庄一线坚守三日，即算完成任务。刘建业本来也是需要去主动见一下这位汤军团长的，可一想起来49年的时候，这位现在的汤军团长可是在老蒋面前出卖了自己的恩师陈仪（陈仪当年自自己掏钱资助汤恩伯留学日本陆军士官学校，还把汤恩伯介绍给了蒋介石。），跟着他来的还有那位很喜欢和土木系中人对着干的关军长，刘建业就没有了见他们的想法，就派副官杨舟带着一些慰问品，送到汤恩伯那里，说自己正得了传染性很强的病毒性感冒，不方便出门，所以很遗憾不能有幸拜见汤军团长，领受教导云云。
池峰城按照战区司令官李宗仁、本集团军总指挥孙连仲和临时直接领导汤恩伯的指示精神，对部队进行了部署：康法如旅守卫台儿庄及运河一线，乜子彬旅向峄县方面担负搜索警戒任务。
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31师乜子彬旅负责警戒的骑兵连接战。台儿庄战役开始。傍晚，日军追击向台儿庄方向收缩的中国军队第三十一师一八五团到南洛，被阻击部队所阻。
第一部
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3月23日凌晨，第2集团军第31师第93旅乜子彬部的先头部队开始从台儿庄一线向峄县方向搜索前进。当93旅骑兵连搜索至峄县以南8公里处的乱沟附近时，与南下日军先头骑兵部队约300余人、坦克1辆遭遇，从而打响了台儿庄一线战斗的第一枪。
当面之敌是由日军步兵第63团第2营及野炮兵第10团第1营组成的，配属有坦克、装甲车、野炮及骑兵队，共1000余人。就当时中日军队的实力对比看，日军的这支混合部队，除了人数以外，其无论是在部队的机动性方面，还是在火力配备上，都超过了中国军队一个普通师的水平。
第93旅骑兵连百余官兵都是久经沙场的老兵，他们在队长王保坤和连长寇保贞率领下，占据有利地形，打退了敌人一次又一次的进攻。日军见久攻不下，于是调集大炮，对中国军队阵地轰击，守军全队官兵抱定与阵地共存亡的决心，争取尽量滞阻敌人，使后续部队有充分的时间作好迎敌准备。手榴弹使用殆尽，仍然顽强坚守阵地，不肯退却。最后，在敌人的轮番攻击下，阵地终于失陷，全队官兵伤亡过半，被迫后撤。
31师北上搜索分队与敌南下进攻之旅在路途中遭遇，在敌强我弱的情势下，中国军队以顽强的斗志，较小的代价，滞阻日军于台儿庄外，初步打破了日军急于南下，抵达运河一线的计划。
根据敌情，池峰城于当日晚对各部队的任务作了部署：骑兵仍活动于潘家庵附近地区，监视峄县敌人行动；第93旅以一部置于南洛、孙庄各据点，主力置于板桥；第186团仍任台儿庄之守备，速构筑防御工事；第92旅以一部进驻台儿庄北站附近，并迅速加强该地工事。
同日，第5战区司令官李宗仁得到第31师与日军遭遇，日军已进至北洛的战报后，当即给第2集团军孙连仲下达命令：孙总司令即赴台儿庄指挥；驻贾汪（距台儿庄西南30公里处）之27师星夜徒步向台儿庄附近集结。
孙连仲受命后，即率第2集团军司令部于24日晨4时抵达台儿庄运河以南5公里处的韩家寺，亲临调度指挥。并急令第27师速开至台儿庄附近地区。
第27师是孙连仲的基干部队，孙连仲曾任该师师长。由于是孙的“嫡系”，因此经孙连仲争取列为国民党军队“调整师”编制，其装备、军械虽不如蒋介石嫡系部队，但较第2集团军的其他2个师稍为优良。
黄樵松是一个有着民族气节的爱国军人。他十分痛恨国民党军队中的那些对日军作战时贪生怕死、保存实力的将领，称他们为“非炎黄子孙，实为中华民族的败类”。他把满腔的悲愤化为抗击日寇的行动，在娘子关战役中，他身先士卒，率部痛击日军，击毙日军步兵第70联队联队长鲤登大佐。娘子关战斗后，黄樵松接替冯安邦任第27师师长。
当3月24日晨4时，黄樵松接到孙连仲命其部速开台儿庄的命令后，晨5时，黄樵松即率第27师从贾汪附近地区出动，3个梯队