滕县保卫战是台儿庄战役的揭幕战。由于韩复榘不战而退，华北日军如入无人之境，继占领了济南、泰安、兖州、邹县后，继续南下占领滕县。而滕县已经是津浦线北段上最后一个能够拱卫徐州的军事重镇了。
日军华北方面军用于津浦北段的作战部队为第二军的第十师团，师团长矶谷廉介是一个狂热的侵华分子，日军中有名的中国通。他同第五师团师团长板垣征四郎同为日本士官学校第十六期毕业生。毕业后来到中国，任日本驻华使馆副武官，后调任日军情报部部长，对日本制定侵华政策起过重要作用。七七事变前任日本驻华使馆首席武官。侵华战争开始后任日军第十师团师团长。第十师团一直在津浦线方面作战，曾先后向沧州、保定一线进攻。下辖两个步兵旅团（共4个联队），骑兵、野炮兵、工兵、辎重兵各一个联队，另外配属独立机关枪两个大队、独立轻装甲车两个中队、野炮重炮兵两个联队。其武器精良，装备齐整。
是日本侵华部队中的精锐之师。
1938年3月8日，第十师团向滕县外围阵地发起攻击。中国军队方面，用于滕县南北填防的部队是川军第二十二集团军。
卢沟桥事变后，刘湘、邓锡侯、李家钰等川军将领，纷纷致电国民政府请缨杀敌。国民政府任命刘湘为第二路预备军总司令，辖两个纵队。两个纵队后来分别改称第二十二集团军和第二十三集团军。此外，其他的川军也陆续奉命组建，从1937年9月起，先后组建了12个军，共30万人，分别出川投入抗战。
第二十二集团军组建后便奉命经川陕公路开赴抗日前线，出川前，第二十二集团军原驻防成都西北地区，所辖两个军均系“乙种军”编制，即每军两个师，每师两个步兵旅，每旅也只有两个步兵团，没有任何特种兵，整个集团军不过4万人，装备极为陈旧落后，主要武器为四川土造的七九步枪，除此之外士兵仍是用大刀和手榴弹来装备。另外，整个集团军只有为数很少的四川土造轻、重机枪和迫击炮，重兵器如山炮、野炮，特种兵器如高射机枪和战车防御炮等，则完全没有。部队的通讯设备只是旅以上才配有无线电。出川抗战前，邓锡侯、孙震曾要求蒋介石换发武器装备，蒋复电云“：前方紧急，时机迫切，可先出发，途经西安，准予换发。”于是第二十二集团军于1937年9月5日开始徒步出川北上，到达陕西宝鸡后始搭乘火车沿陇海路东进。由于出兵仓促，加之不知调往哪个战区作战，士兵们完全是赤足草履，单衣短裤，根本没有北方御寒的准备。原定到达西安后要休息整理，换发武器，谁知到达宝鸡时，山西战事紧急，根本没有休息补充的机会，就这样带着劣质武器，穿着南方服装又马不停蹄地赶赴山西战场。自宝鸡出发后，东至潼关，过风陵渡，登同蒲车，北进太原，完全过着铁板车生活，人多车少，又逢数日风雨，火车日夜不停，无法造饭，士兵饥寒交迫，痛苦不堪。有些士兵到达终点下车时，已两腿发直，随铁门开关，倾倒而出。
然而川军方抵山西，太原即告失守。敌人用机动性快速部队向我军左冲右突。川军立足未稳，便被冲散，随大军后撤。由于装备简陋，沿途遇有晋军的军械库即破门而入，擅自补给。事为第二战区司令阎锡山所悉，大为震怒，电请统帅部将川军他调。统帅部接此电后报于蒋介石，蒋说：“第二战区不肯要，把他们调到第一战区，问程长官要不要？”军委会打电话去郑州给第一战区司令长官程潜。谁知程潜在电话中竟一口回绝。据说当把此消息报于蒋介石时，蒋正因南京失守心绪不好，勃然大怒道：“调他们回四川去称王称帝吧！”此时，白崇禧从旁劝道：“让我打电话到徐州去，问问第五战区要不要？”遂打电话给李宗仁。此时正值韩复榘不战而退，五战区无援兵可调之时，故李宗仁闻讯则喜，说：“我现在正需要兵，请赶快把他们调到徐州来！”就这样，第二十二集团军调到了徐州，归第五战区节制指挥。李宗仁在徐州会见邓锡侯、孙震时，问他们有什么困难需要解决，邓、孙异口同声地说，枪械太坏，子弹太少。李宗仁立刻电呈国民政府军委会，不久便拨给他们新枪500支，每军各得250支。李宗仁又从第五战区的库存中，拨出大批子弹及迫击炮，交两军补充。大军出发前，李宗仁亲往迎送，激励大家杀敌报国。川军将士深受鼓舞。
对日抗战不仅激发了川军的民族意识和爱国热情，而且也给川军带来了新的精神面貌。为军不扰民，成了川军精神风貌的体现。据说川军作风的改变除了为民族而战的责任感外，还因在山西时受到八路军军民团结作风的影响。同时，川军作风的改变也和山东人民对部队的拥戴、支援和爱护分不开的。韩复榘弃地而走，让当地民众心灰意冷恨之入骨。
但川军到来之后，军纪与韩军大不相同，一切公买公卖，童叟无欺，并且派人各乡宣传，尽量扶助民众武力，让滕县民众看到了新的希望。大家纷纷起来欢迎川军。县城东北90里之城前镇民众为欢迎川军前往，除沿途杀猪宰羊，烤烙大饼，预备做饭柴草，送到镇上而外，还发动乡民将90里长的路上积雪打扫干净，以迎川军。
滕县以北与敌接触的前沿地区，民众对军队的爱护更胜一筹。他们把军队当做自己的亲人，问寒问暖，需要什么随时送上什么。川军受山东如此爱戴，这是他们有生以来从未遇到过的，因此备受感动，“为民族而战，能得民众如此爱戴，今天就是战死疆场，也可以死而无憾了！”成了川军将士的心声。
1938年1月7日，第二十二集团军由陇海线经徐州沿津浦路北调。
1月20日，川康靖绥主任、四川省政府主席刘湘病逝，第二十二集团军总司令邓锡侯奉调回川继任，总司令一职孙震升任。调整后的任职情况为：第二十二集团军总司令孙震，辖第四十一、第四十五两个军；第四十一军长由孙震兼，下辖第一二二、一二四两个师，第一二二师师长王铭章，第一二四师师长税梯青；第四十五军军长陈鼎勋，下辖第一二五、一二七两个师，第一二五师师长王士俊，第一二七师师长陈离。这时，第二十二集团军的总兵力实际上只有2万多人。
奉命北调的第二十二集团军迅速开赴徐州以北的临城、滕县一带守备，其具体部署为：以第四十五军为第一线部队，由第一二七师师长陈离指挥。第四十五军以滕县为据点，将第一二五师布置于滕县以北之界河东西香城、九山、王福庄、张庄、后圪、金山等与敌接触的前沿之线占领阵地，构筑工事，阻敌南进，与敌保持接触。第一二七师师部驻滕县，以一部支援第一线阵地之第一二五师，一部游击于兖州、邹县、曲阜之间。第四十一军为第二线部队，集团军总司令部设在临城，第一二四师之第三七二旅进驻滕县，负责城防；第一二四师第三七○旅进驻滕县西北的深井，掩护第四十五军第一线阵地的侧背，并相机游击于石墙、济宁之间。第一二二师为集团军总预备队，该师第三六四旅位置于台儿庄至韩庄闸一线，并沿运河南岸构筑第二线预备阵地。从1938年1月中旬以后的40多天中，第一二二师在台儿庄亘韩庄段的运河两岸，构筑了半永久性的防御工事。
此时，日军矶谷师团尚在泰安一带，在邹县之敌为该师团福荣联队，邹县以南之两下店也被敌占领。但邹县与两下店之间是完全空虚的，可以任我游击队活动。故邹县和两下店之敌人皆用铁丝网将其所驻营地围护，不敢外出一步。第二十二集团军决定乘此时机于2月中旬向敌所占领的两下店等地发起攻击。第四十五军第一二五师于2月13日下午，兵分两路，开始行动。一路以第三七三旅主力向两下店方向移动，另一路绕攻邹县北关。此时寒风凛冽，雪花飞舞，但战士们却热血沸腾，摩拳擦掌，决心予敌痛击。
14日，第一二五师三七三旅七四六团会同地方抗日武装红枪会数百人，于夜间开始进袭两下店，第七四五团则占领铁路及右侧高地作掩护。是夜，第七四六团以两营兵力及一部红枪会武装，突破日军阵地的外壕和铁丝网，逼近日军主阵地。但因敌工事坚固，火力猛烈，两次进攻均未得手，遂撤回原守备阵地。
15日，两下店战火未熄，敌又先后两度由邹县增援400多人，共计700多人，大炮10余门，先后向我峄山、郭山阵地发起猛攻。日军用排炮向我第七四五团阵地发射炮弹数百发，我阵地官兵却无一伤亡。敌炮轰过之后，我全体官兵从山梁背后的隐蔽处迅速回到阵地上加强工事。傍晚，敌又发起进攻，我阵地之前哨连被迫撤回原阵地。晚间，敌更发起了夜袭，用坦克作先导由郭山两侧抄袭第七四五团阵地后的山地和村庄，又用大炮和步兵攻我阵地正面。此紧急时刻，第三七三旅林翼如旅长亲往郭山指挥，第七四五团全体官兵沉着应战，用重机枪和手榴弹，凭借工事居高临下，打退了敌人的进攻。此时，我第一二五师三七三旅仍迫近两下店地区。
16日，在两下店担任主攻的第七四六团团长谭尚修决定以第三营为预备队，第一、二两营继续向两下店发起进攻。战士们反穿棉衣，白布衬雪，于午后2时以一营为左，二营为右，齐头猛进，向敌扑去。
因敌炮火过猛，我军伤亡40多人，战至5时尚未攻克。为了完成任务，谭尚修团长选派了3个连，组成敢死队，把不堪使用的川造步枪甩在场外，只用马刀和手榴弹，在重机枪掩护下短兵相接，实行巷战。苦战一天一夜，双方伤亡都很严重。我军据守镇中的两座楼房，敌人轮番攻击了数次，均被我军用手榴弹击退。战至17日凌晨3时，除吴钦明连长、邓茂云连长率领突围出来360多人外，其余400余人全部壮烈牺牲。由于敌我装备悬殊，第七四六团撤至距两下店约5里的郭山，整顿部队，准备再战。
17日上午9时，敌向两下店增援300多人，并于午后2时用十几门大炮向我郭山阵地轰击，掩护其步兵七八百人进攻，在郭山展开了一场激烈的争夺战。第七四六团官兵用手榴弹和大刀迎击敌人，战至夜间11时，阵地几经易手，失而复得。
18日，敌主力部队由龙河向两下店增援千余人，以炮火分向峄山、郭山两阵地猛烈射击，掩护其步兵攻击。我第三七三旅第七四五、第七四六两团浴血奋战，伤亡甚重。由于敌我力量过于悬殊，第一二五师王士俊师长率第七四九团及第一二七师之一团由界河出击，以掩护第七四五、七四六两团撤出战斗，转至七贤庄、温石岭一带拒敌。
当一二五师在两下店地区浴血奋战时，第一二七师第七五七团在团长王文拔的率领下，奉命由禹城向曲阜、邹县之间挺进，到曲阜、邹县之间的敌后山区开展游击战。
2月12日，第七五七团两个营，配合部分地方武装分赴曲、邹公路旁之小雪村、凫村附近，秘密埋伏，伺机打击敌人。到达目的地后，他们首先阻绝交通，破坏公路桥梁，占领军事要点，控制乡村一切活动，做好了游击战的一切准备。14日上午伏击了一支日军视察队伍，击毙了矶谷师团的少将田岛荣次郎。同日下午2时，又在凫村附近实施伏击，击毙敌军25人，缴获轻机枪1挺，步枪18支，大卡车1辆，无线电通讯器材1部，军用地图1套，敌军后方通讯联络要图1张。我军无一伤亡。
在小雪村、凫村日军被我游击队奇袭歼灭的消息传到曲阜、邹县，敌部恼羞成怒，立即派遣日军200余人，分乘10辆卡车，由曲阜朝小雪村扑来。由于我军预先占据了有利地形，居高临下，倾泻而下的炮火打得敌人四处逃窜，龟缩回曲阜城去。
15日，敌军不甘被打，曲阜、邹县两处敌人再次出动，每股均有步兵五六百人，炮数门，分向小雪村、凫村扑来，我凫村部队早已转移，日军扑了个空。我小雪村部队因得令较晚未及撤走。被敌包围，激战至夜，也突围而出。
日军每天由北方运来士兵约1000多人，其目的是增援邹县、两下店一带，结果却被我第七五七团牵制得不能活动。
位于石墙附近的第一二四师第三七○旅于2月14日向孙氏店挺进，15日转令助攻邹县、两下店之敌。16日，一部向邹县、两下店侧击，一部在望云策应，敌我激战于两下店以西地区。后退据大山侧面阵地，与界河我军联系，协力拒止敌人南下。
第二十二集团军此次攻击行动虽未能克复津浦线上的两下店，但四处伏击日军，日军不敢贸然行动。敌我双方自2月末至3月初，一直相持于两下店以南地区。
3月上旬，日军在邹县地区集结完毕，华北方面军第二军于3月13日下达命令，令第十师团击灭大运河以北之我军，第五师团以一部占领沂州（即临沂）后进入峄县附近，配合第十师团作战。其意图是：在达到上述目的后，大致在滕县、临沂一线，给以后作战做好准备。