日军占领南京、济南后，计划从南北两端沿津浦铁路夹击徐州，将南北战场连成一片。
公元1938年1月，第五战区司令长官李宗仁指挥中国军队积极部署，以确保徐州的安全。南线日军沿津浦线北上，强渡淮河。张自忠率军反击，日军败退，双方隔河对峙。北线日军第二集团军司令官西尾寿造指挥日军分两路南攻。日军占领了大片领土，逼近鲁南要地临沂，企图从东路进攻徐州。张自忠率部支援，取得了临沂战役的胜利，歼敌3000人。
中国军队集中兵力不怕牺牲，多次猛攻占领徐州门户台儿庄的日军第十师团濑谷支队。日军除小部突围外，大部被歼，死伤1万人。重新部署的日军，从鲁西、淮北再次南北推进，5月15日完成对徐州地区的包围。李宗仁奉命率第五战区军队沿陇海线西撤，徐州陷落。