台儿庄外围的序战落下帷幕之后，沿台枣支线南下的日军第十师团开始进犯台儿庄。孙集团军死守台儿庄，在正面进行阵地战，汤军团则在台儿庄以敌之侧背进行运动战，配合孙集团夹击进犯台儿庄之敌。该军团最初渡过河，经台儿庄北上，绕过峄、枣，向抱犊崮山地迂回进攻郭里集、峄县、台儿庄，随即由山地迂回到台儿庄东北侧击敌之后路，进而由腰里徐、柿树园迂到洪山、兰陵，腰击由沂河西岸向西增援之第五师团坂本支队，最后仍迂回到台儿庄东北侧袭敌之后路。汤军团20天内在抱犊崮、台儿庄百余公里的地区来回走了8次，始终保持自主的机动的态势，寻求敌人，进行侧背攻击。孙连仲集团军布防台儿庄中央战场，以池峰城第三十一师守卫台儿庄，担负诱敌深入，坚守城寨，避免决战，以便帮助友军完成鲁南歼灭战的任务。又以张金照第三十师、黄樵松第二十七师为台儿庄中央战场左、右两翼出击部队，攻打台儿庄周围敌之据点，切断台儿庄内外敌之联络线，并阻止峄、枣之敌南下增援台儿庄。孙集团军在台儿庄守点打援艰苦支撑达半月之久，同敌军进行了激烈的巷战，创造了“室战墙战”的战争奇迹。最后我军在城内的阵地仅剩1/4，台儿庄几不能保时，仍屹然未动，直至汤军团南下，大败坂本支队，濑谷支队全线崩溃，解除了台儿庄之危，汤军团会合孙集团军适时抓住战机，发起总攻，终于造成了台儿庄大捷。
在台儿庄实行游击战，是我军的既定方针。游击队的基干部队是五战区所属集团军、军团、军及省属地方保安部队，此外尚有各地民众武装（如皖北红枪会及峄、枣一带“4县边联教导队”等游击队）。游击队分布于整个战区，遍及津浦线南北两段，淮河两岸，徐海地带，淮阴以南、鲁东南沿海地区，鲁南山地，鲁西地区及胶济、陇海沿线。游击队扰袭敌人据点，破坏交通，配合台儿庄正面战场，给日军以很大的打击。
台儿庄战役同淞沪会战的形势十分相像。日军左翼从济宁到韩庄的垂直线，与浏河、嘉定、广福、南翔线相等；临沂保卫战等于死守闸北、江湾之战；台儿庄的形势同淞沪战场上的大场完全类似。日军在台儿庄所采用的战略战术与淞沪会战并无不同，但是台儿庄战役汲取了上海的教训，不是单纯消极防守的阵地战，而是采取攻势防御战，以运动战为主，与阵地战、游击战相配合，一变过去节节败退、坐等挨打的被动局面，而改为处处进击的相当主动的形势。由于新战略战术的运用成功，我军防御战与攻击战双管齐下，运动战与阵地战、游击战巧妙配合，终于击败了敌人，取得了胜利。
台儿庄战役的胜利，使蒋介石更加相信攻势防御战方针的正确性。他告诉端纳说，他已决定以运动战取代阵地战，中国今后要选择自己的战场，使日本人在炮兵、坦克、飞机和重武器方面的优势丧失作用。中国军队逐步找到了战胜日军的方法，这使其后的武汉会战我军未落下风，使中日战争很快便进入战略相持阶段。
（六）台儿庄战役的胜利是中华民族团结一致，共同对敌的结果
台儿庄战役中，各部队服从统一指挥，协调一致，互相配合，以及民众积极支援前线，是胜利的重要原因之一，并为8年抗战树立了楷模。台儿庄战役的主力部队都是从各战区抽调来徐州的，参战的部队有中央军（汤恩伯第二十军团、李仙洲第九十二军），原西北军（孙连仲第二集团军、张自忠第五十九军、庞炳勋第四十军、孙桐萱第三集团军），原东北军（于学忠第五十一军、缪激流第五十七军），浙军（第七十五军），晋军（商震部第一三九师）、桂军（廖磊第二十一集团军、李品仙第十一集团军）及川军（第二十二集团军）等，这是中国军队在日本帝国主义者入侵后团结抗战的生动体现。众多的部队从各战区迅速开来，服从战区的统一指挥，在李宗仁的指挥下，抱着必死之信念，奋勇杀敌。
国民党军队派系林立，各部队将领不和之事时有发生。第五十九军军长张自忠与第四十军军长庞炳勋有内战宿怨，但张自忠在此次临沂战役中捐弃前嫌，与庞和衷共济、并力歼敌，为抗战中一段佳话。
由于战事的紧急需要，不仅从各战区抽调大军来台儿庄，即便是在台儿庄战场上，往往也要从各师旅乃至团营连临时抽调一部分兵力增援兄弟部队作战，这同样有个协同配合问题。第三十一师第九十一旅旅长王冠五说，台儿庄城内由他指挥的部队，“差不多有十多个不同的单位，但任何部队，任何士兵，一进了台儿庄这块阵地，都痛下必死的决心！大家自觉地认定，即使在这么猛烈的炮火弹雨下，牺牲掉自己的性命，但这是有伟大意义的！”是保卫国家民族的伟大的爱国主义精神和打败侵略者的必胜信念，把他们凝聚在一起了。抗日战争是一场民族自卫战争，必须最广泛地发动民众，武装民众，实行全民抗战，才能取得最后胜利。1938年4月1日《中国国民党临时全国代表大会宣言》指出：“抗战之胜负，不仅取决于兵力，尤取决于民力。”
民众对抗战抱有极大的热情和勇气，凡是军不扰民的地方，老百姓无不以各种行动积极支援前线。在滕县，老百姓杀猪宰羊，烤制大饼，慰劳川军；县城内的老百姓自动拿起武器，同川军并肩作战。在临沂战场，从临沂习安镇一线公路上，老百姓运送第五十九军伤兵的担架，日夜兼程，络绎不绝。津浦线南段，亦是如此。于学忠将军说“：淮河血战的胜利，完全是军民合作的功绩，输送，救护，扰乱以及零星敌人的歼灭，无往而不胜是民众的力量。”
李宗仁对台儿庄战役期间民众发挥的作用给予充分肯定：淮南、鲁南各地民众的力量，完全和军队配合起来了，在战场上抢救伤兵的是民众，当间谍的是民众，帮助军队运输炮弹粮食的是民众。这些民众，完全是赤诚地表现他们的爱国热情，充分地担任起救亡的责任来了。
中国共产党积极参与了台儿庄战役。可以说，台儿庄大捷也是国共两党团结合作的结果。1938年3月上旬，台儿庄大战前夕，周恩来和叶剑英在汉口会见奉命到徐州协助李宗仁指挥作战的副参谋总长白崇禧，就第五战区对日作战方针提出建议：在津浦线南段，由李品仙、廖磊两个集团军在张云逸率部配合下采取以运动战为主、游击战为辅的联合行动，运动于淮河流域，威胁日军使之不敢贸然北上支援由华北南下日军；同时在徐州以北必须采取阵地战与运动战相结合的方针，守点打援，达到各个击破的目的。白崇禧基本接受了这个建议。在此期间，周恩来派张爱萍以新四军代表身份赴徐会见李宗仁，建议李在济南以南、徐州以北同日军打一仗，并详细分析日军的弱点。
在台儿庄参战部队中，中共在若干部队建立了秘密组织，其中第五十军从抗战开始至台儿庄战役，党组织系统始终存在并进行活动。
中共领导的八路军积极支援台儿庄战役，1938年2月，蒋介石在武汉召见八路军副总司令彭德怀，询问：“是否可以在青纱帐起派队袭击津浦线，声援徐州会战。”彭德怀慨然应允，表示：“为了配合徐州会战，不待青纱帐起即当派队前往！”
2月5日，朱德、彭德怀致电刘伯承、徐向前、邓小平，内称：敌人集中主力由津浦线南北夹攻徐州，为策应第五战区作战，八路军主力除在晋积极作战外，应派出得力支队出平汉线以东向津浦线扰袭。第一二九师应即准备一个团或两个营的兵力，由宋任穷率领，配足干部与通讯器材，在一个星期左右的时间内，东出沧石路以南邢台、德州间活动，声援徐州友军作战，并为在该地区建立抗日根据地作准备。3月9日，朱德、彭德怀致电聂荣臻、刘伯承等：津浦线南北段的国民党军队仍在苦战中，日军已遭受沉重抗击，你们以前派出之东进部队，应令其向沧（县）德（州）线积极动作，以配合津浦北段作战。3月13日，朱德、彭德怀致电蒋介石，报告八路军一二九师副师长徐向前率一个旅东出津浦线配合台儿庄战役。
在第五战区内，有中共苏鲁豫皖边区临时特委在边区22个县的范围内开展活动，1938年初党员人数达到1232人。五战区在李宗仁领导下，同共产党的关系较好，他同中共苏鲁豫皖特委书记郭子化会谈时说：“我们和共产党八路军建立统战关系最早，至今关系也最好。”李表示：（1）接受中共提出的抗日民族统一战线的主张；（2）同意国共两党合作抗日，允许中共在徐州设立办事机构公开活动；（3）聘郭子化以社会名流的身份参加第五战区总动员委员会担任委员。
第五战区民众抗日总动员委员会于1937年冬在徐州成立，李宗仁任主任。该会成立不久，各县即相继成立了县动员委员会。中共苏鲁豫皖特委利用总动员委员会组织部（由特委掌握）的名义往各县派干部担任县动员委员会指导员，开展民众运动，建立民众团体，如“青年抗日救国团”、“职工抗日联合会”、“农民救国会”等等，至1938年初共建有1518个团体，成员约36万人。这些民众团体绝大多数是在“特委”领导下进行活动的。不久，各县的“青年抗日救国团”逐渐发展成为一支有相当规模的群众抗日武装。
徐州是当时爱国青年向往的地方。1937年冬，平、津、沪、鲁等地流亡学生纷纷云集徐州，请缨抗日。李宗仁根据中共特委的建议，于1937年11月12日举办“抗敌青年训练班”，第一期为300人，训练3个月，结束后由战区总动员委员会组织部编组为11个工作团，将受训青年派往各县开展抗日救亡活动。第二期为5000人，改名为“第五战区抗敌青年军团”，李宗仁兼团长，培养了大批抗日青年骨干，也为共产党造就了一批人才。
战区总动员会为动员和组织民众支援台儿庄战役作了大量工作。总动员委员会举办了“保卫大徐州宣传周”，男女老少都为支援台儿庄战斗、保卫徐州市而积极行动，各县民众团体组织运输队、担架队、宣传队，帮助我军运送粮草、弹药，抢救伤员，支援前线，对保证台儿庄胜利作出了贡献。
在发动民众过程中，中共特委还建立了一支由其领导的抗日武装，有枪200余支，共500余人。这支抗日武装与战区上层的统战关系，获得战区游击总指挥李明扬批准，编为“第五战区人民抗日义勇队”，张光中为队长。这支抗日游击队活跃在敌后，破坏临枣支线及津浦线兖州至临城段交通，袭击日军。这是中共在徐海地区公开掌握的第一支武装部队，后称“湖西人民抗日义勇队第一总队”。张光中还利用这个番号，在沛、滕两县交界处建立了4个大队的革命武装，每队一两百人。峄县人民抗日义勇队在中共党员朱道南、刘景镇领导下，在临枣路的邹坞、山家林一带多次破袭铁路、公路，伏击日军运输队，毙伤日军多人，并缴获枪支弹药等战利品。滕县义勇队在中共党员王见新、于公率领下，在官桥、井亭一带多次伏击日军，炸毁南北大桥两座，津浦铁路因此一度中断。沛县人民抗日义勇队配合李明扬部两次袭击临城，缴获了大量战利品。各地抗日人民义勇队的活动，有力地配合了台儿庄正面战场。
台儿庄战役的胜利充分证明了只要中华民族是团结一致的，就没有打不败的敌人。