仁受命後，即選派徐祖貽任戰區參謀長，組織戰區司令長官部。11月初，李宗仁奔赴徐州前線。投入這次會戰的中國軍隊有數十萬人，但部隊戰鬥力強弱差異較大。李宗仁調兵遣將，按其所長，作了細緻部署。第三十一軍軍長劉毅轄一三一師、一三五師、一三八師，軍中班排長以上幹部，均系李宗仁親自從廣西征調而來，頗有作戰經驗，指揮也得心應手，因此李宗仁將其部署在海州，以防敵人在該處登陸，第三集團軍總司令韓復榘部的十二軍、五十五軍，訓練、裝備以及人員素質較差，李遂讓其駐紮山東境內，五十七軍軍長纓瀲流，轄一一一師和一一二師，該部裝備尚可，但戰鬥力不強，李便命其部駐防蘇北，五十一軍軍長於學忠，轄一一三師、一一四師，戰鬥力較強，李命其在臨沂方面堵截日軍前進。部署就緒，李宗仁密切注視著敵人的動向。
徐州會戰分兩期，第一期是津浦路的初期保衛戰，第二期是臺兒莊會戰。第一期的津浦路保衛戰是從1937年12月中旬開始的。日軍以津浦路南端為主攻，北段為輔攻，分別南北向徐州推進。
南端敵軍指揮官（畑）俊六大將，於12月中旬，指揮8個師約8萬之眾，先後自鎮江、南京、蕪湖渡江北上。日軍第三師團主力攻陷滁縣後，循津浦路正面北進至盱眙、張八嶺附近；另一部分攻佔揚州後，即進擊邵伯、天長一線，以掩護鎮江防線，第九師團一部攻陷裕溪口後，循淮南鐵路北進至巢縣、全椒，企圖直趨蚌埠。日軍以為拿下蚌埠已是易如反掌之事，孰料行至明光以南，即為李宗仁部署的李品仙的第十一集團軍和于學忠的第五十一軍，利用淮河、淝河、匯河等地形堵截，雙方血戰月餘，不能前進。李宗仁又指揮部隊採用機動靈活的戰術，將日軍阻滯在淮南，敵我形成雙方形成膠著對峙局面。
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五、向革命終於覺悟（10）
李宗仁在指揮津浦路艱難抵抗北進之敵的同時，又積極阻截華北日軍南下。但韓復榘連連喪城失地，致北段津浦路正面大門洞開，使日軍得以沿線長驅直入。為此，韓被蔣介石槍斃，由孫桐萱代任其職。
為確保徐州地區的安全，李宗仁命孫桐萱部向運河以西推進，襲取濟寧、汶上的日軍據點，以牽制敵人主力。李宗仁在這一線佈置大量兵力，不斷側擊北段南下之敵，使敵軍在這一帶徘徊不能南進，暫時穩定了戰局，擺脫了危機。
日軍津浦線主力南攻不成，遂改變策略，由少壯派軍人坂垣徵四郎、磯谷廉介率兩師團企圖會師臺兒莊。臺兒莊位於津浦路臺棗（莊）支線及臺濰（坊）公路的交叉點上，扼運河的咽喉，是徐州的門戶，在軍事上具有重要地位。日軍一旦得手臺兒莊，便可策應津浦路南端日軍攻勢，一舉拿下徐州。坂垣、磯谷兩師團，是日軍精銳之師，來勢兇猛。3月下旬，日軍以七八萬兵力，在華北方面第二軍司令官西尾壽造指揮下，分兩路向臺兒莊進發。一路為坂垣第五師團，自1月12日在青島嶺山灣、福島兩處強行登陸後，沿膠濟路西進，至濰縣轉南，經高密，循諸城、榮縣一線，進逼臨沂；一路為磯谷的第十師團，該師團沿津浦路南下，直取臺兒莊。
2月，中國軍隊為堵截日軍前進，在臨沂、滕縣同日軍發生了激烈的戰鬥，揭開了臺兒莊會戰的序幕。2月下旬，臨沂告急。該地是魯南軍事上的必爭之重鎮，得失關係全域性。處此緊急關頭，李宗仁令守防海州的龐炳勳軍馳往臨沂解救。雖說龐氏統有1個軍，其實兵員不足，只有5個步兵團，但龐氏在部隊中威信極高，指揮靈便，部隊戰鬥力強。剛到臨沂縣城，還未來得及休息，龐部便與日軍展開激烈攻防戰，日軍以1個師團的優勢兵力，配以山炮1團，騎兵1旅，向龐部猛撲，夜以繼日，反覆衝殺。臨沂城牆高大而又堅固，野山炮也打不穿，龐部憑藉這種優勢，據城死守，城下敵屍枕藉。龐部的成功據守，是不可一世的日軍所始料不及的。
李宗仁擔心龐部勢孤不能長守，於3月11日，令五十九軍張自忠部由滕縣增援臨沂。張接到李的命令後，以一晝夜180裡的速度趕到臨沂。臨沂的龐部見援軍到，雖筋疲力竭，但士氣旺盛。兩軍內外夾攻，如疾風驟雨向坂垣反擊，坂垣從宮縣增兵2000人，以飛機大炮掩護，配合坦克、裝甲車進攻。龐、張兩部咬緊牙根，堅決頂住，與日軍激戰數日，反覆肉搏，擊潰坂垣師團一旅，敵死傷過半。3月17日晚，敵向沂水退卻，龐、張合力窮追一晝夜，日軍一退90裡，縮排莒縣城內死守。
在李宗仁的指揮下，臨沂之戰取得了空前的勝利，它砍