推遲到新編師團投入戰場後再實施。
可華北方面軍，特別是第十、第五師團，驕矜自負，極力主張向前推進，一舉攻下徐州。於是華北方面軍的礬谷廉介第十師團和本川旅團於1937年12月25日佔領濟南後，在次年1月上旬繼續南下，接連攻佔肥城、泰安、兗州，曲阜、鄒縣、濟寧，把進攻矛頭直指滕縣；同時，日軍板垣第五師團東出膠濟路，於2月中旬沿臺濰公路南下，準備奪取魯南重鎮臨沂，迂迴臺兒莊，然後兩師團南下合圍徐州。
徐州地處津浦與隴海鐵路交叉點，扼蘇、魯、皖、豫四省要衝，是中原和武漢的重要屏障，自古為兵家必爭之地。為加強以徐州為中心的津浦鐵路的防禦力量，國民政府軍事委員會任命李宗仁為第五戰區司令長官，駐守徐州。次年1月，蔣介石又在開封召開軍事會議，逮捕了為儲存實力，丟失山東省大片土地的山東省主席韓復榘，予以正法。
當南線日軍圍攻蚌埠時，李宗仁調集了于學忠第五十一軍、劉士毅第三十一軍及廖磊第二十一集團軍共4個軍9個師，8萬人左右，到南線禦敵。南線各軍按照李宗仁的命令，閃開正面，在津浦路西側山地隱蔽待機，及至日軍進至明光，風陽，臨淮關、蚌埠一線兵力分散時，突然向敵側後發動猛攻，迫使敵退回淮河南岸。這樣，在南線形成敵我對峙的態勢。
北線沿津浦路南下進攻滕縣的敵磯谷第十師團瀨谷支隊和沿臺濰公路南下進攻臨沂的板垣第五師團坂本支隊，則分別在滕縣和臨沂區遭到中國守軍的堅決抵抗。3月16日凌晨，敵人在強烈的炮火和飛機掩護下，向滕縣城發起猛攻。守衛滕縣的川軍第二十二集團軍第四十一軍（軍長孫震）第一二二師5個營3000餘人，在師長王銘章指揮下，與敵血戰3天，最後全部壯烈犧牲，滕縣陷落。進攻臨沂的敵坂本支隊，在臨沂以北湯頭地區遭到龐炳勳第