台儿庄战役为年3月至4月中旬国军在山东省南边台儿庄与意图由山东分两路进攻徐州的日军进行的战役，这场战役是中国抗日战争中徐州会战的一部分。国军在以徐州为中心地区与日军激战，史称徐州会战。日军第5师团主攻临沂，第10师团主攻滕县、临城、台儿庄，均遭国军击退。因为是对日抗战爆发后国军首次取得的胜利，又称为台儿庄大捷。
日军在年华北与华中地区的战役获得胜利后察觉国民政府并未如原本预想的失去战力求和，反而是将首都内迁冀求长期战争胜利，因此日本陆军一方面将军队从16师扩张到22师45万人，同时策划新攻势希望打通津浦线（今京沪铁路）将南北占领区连成一块，并强迫国府军在无险可守的四战之地徐州进行大规模决战以歼灭当时内迁的蒋介石政府底下所属战力。
年1月1日，国民政府宣布改组，提出要通过持久战才能取得最后胜利，国防委员会成员由30人增加至75人，实行交通军事管制，拒绝日本倡议和平。2月10日，林彪统率八路军师夺回冀中保定和石家庄之间4个车站，切断平汉铁路日军后方，缴获支步枪、30挺轻机枪和多匹马。
原先日军的构想是在扩军完成后的年夏季发动新一波攻势，为此日本参谋本部在2月16日的御前会议时先向天皇汇报其作战意图，同时向前线部队告知作战方针并划出防卫纵深圈，并派遣倾向不扩大现有事端的作战科长河边虎四郎上校前往中国对底下部队进行协调。3月，日军参谋本部同意第二军增加部分兵力，但须遵守不得超越临沂、枣庄之线，前线日军却无视上级命令，第十师团擅自向南推进，从济南发兵朝西南方的济宁市进攻，第五师团则派出一个营的兵力朝济南东南方的临沂市助攻，在协调无用下河边虎四郎遭到撤换，继任的稻田正纯下达了新的意向，同意第十师团歼灭山东省大运河一线的国军。
徐州在津浦铁路（天津—浦口）和陇海铁路（兰州－连云港）交叉点，国民政府第五战区总部。
台儿庄位于徐州东北30公里的大运河北岸，与徐州东北的邳县（今邳州市）接壤，扼守运河的咽喉。桂系将领第五战区司令李宗仁与时任国军副参谋总长兼军训部长的白崇禧合作指挥国民革命军将两路日军分别阻止在山东临沂和台儿庄。
由于日军的作战并未协调，这种以少量兵力孤军深入的作法反而遭到国军利用，第五战区指挥官李宗仁看准时机调派了其手下的20%兵力到台儿庄周边冀求一举全歼南侵日军，除了各派系的部队以外，军委会甚至抽调了大部分榴与反战车炮前去增强战区火力，以事后来看这项作为让国府军取得了部分火力优势。李宗仁遂以西北军孙连仲第二十六路军在徐州以北的台儿庄与日军反复争夺。
临沂向城战斗：2月下旬，临沂战斗告急，李宗仁就近抽调庞炳勋军团（第40军）驰往临沂，固守县城，堵截敌军前进；并张自忠第59军。庞炳勋军团把日军拖在临沂城周围时，西北军张自忠国民革命军五十九军向北袭击日军左翼，日军损失4,人，包括3个团长，俘获名战俘和大批战利品，包括野战炮和装甲车。
滕县战斗：3月，第五战区司令长官李宗仁令第22集团军邓锡侯川军第41、45军出动，第41军第师师长王铭章部守滕县，因无援兵，滕县失守，王铭章师长战死殉国。
荷泽战斗：第20集团军商震第32军，第32军第23师师长李必藩因菏泽失陷而引咎自杀。
李宗仁在徐州成立总动员委员会，公布七道命令规定军民共同承担任务，负责发展和协调群众活动，除汉奸外，都有言论、出版、集会、请愿自由，军政官员不得干预。
3月15日，第五战区司令李宗仁电令第二十集团军汤恩伯（中央军）部：敌于津浦路北段增加兵力，大举反攻，我滕县守军兵力薄弱，已奉准调第二十军团第85军驻归德之一师，迅开滕县为守军之总预备队。
汤恩伯呈报蒋介石：第4师正向临城集结，第89师本晚由归德向临城开始输送，两师主力拟集结临城东北地区，待机出击。拟恳准调第52军输送徐州待命，避免分割使用，以益战局。
蒋介石电令第二十集团军：令第85军开临城，限17日拂晓前到达，第52军即开归德待命。
汤恩伯下达命令：津浦北段情况紧急，本军团奉令策应该方面作战。第85军即日由归德以铁路输送临城集中，相机策应第二十二集团军之作战。第52军本日即徒步由亳县出发，限16日到达归德，乘车开徐州集结待命，18日前应全部到达。第师在蒙城集结警戒。
李宗仁电令：铁路正面，敌已突破界河，滕县吃紧，第4师先头之一部，应即开滕县附近增援。
3月16日，国军滕县阵地已遭日军突破，第二十二集团军除第师王铭章守城之外正逐步撤退。第85军增援抵达临城，第4师第20团在龙山、虎山一带与日军接触，日军主力企图前进枣庄袭击国军侧背；第89师占领临城与官桥阵地以保卫铁路安全。
3月17日，日军步兵63联队以30余辆战车及空军优势猛攻官桥阵地，国军增援受阻，官桥、临城相继失守，第89师向井家峪附近撤退。
3月18日，国军第85军第4师在峄县附近与日军机械化部队激战，峄县当日晚间失陷。下午，日军步兵第10联队完全占领滕县。
3月20日，日军第10师团向濑谷支队下令：应确保韩庄、台儿庄运河之线，于警备临城、峄县之同时，尽量派遣多数兵力向沂州方面突进，协助第五师团战斗
3月20日，徐永昌日记：津浦滕县孙震、邓锡侯川军败退已过运河，当汤恩伯进援时，孙震谓滕县尚在我手中，汤以随到之一旅急进，不料滕县早失，敌大部南冲，汤之一旅几于覆没。
矶谷所部于攻下滕县临城后，即以主力东移，目的在占领台儿庄渡河之铁路公路要口，以便渡运河而袭徐州。
3月21日，国军第13军第师抵达运河南岸接替河防任务，第52军北渡运河准备协同第85军向峄县反攻。
3月22日，第二集团军第31师到达台儿庄暂归第二十集团军指挥。第52军向洪山镇集结。
李宗仁电令：第二十军团配属第31师主力，应于24日拂晓开始攻击，务先击破峄县、枣庄之敌，再向临城、沙沟两地侧击，迫敌于微山湖东岸而歼灭之，另一部集结台儿庄北方，准备对峄县及西北地区，协力主力之作战。
3月23日起，日本军即以其主力猛攻，声势甚盛，直迫台儿庄城下。至4月6日，日军主力逐次加入台儿庄阵地。
3月25日，第52军在兴隆山、野葛埠与日军赤柴大佐第十联队遭遇，日军不敌攻势撤退至南安城，国军乘胜追击，收复南安城与纪官庄、潭河等村落。
3月25日，徐永昌日记：林蔚由徐州电话谓台儿庄北面之敌经击分三路后溃。峄县有敌34千，战车数十。枣庄有敌2千，韩庄敌不过数百，已略向北移动。庞炳勋于临沂告急；张自忠回援已到。
3月26日，第二集团军（原西北军）总司令部抵达台儿庄，第31师归还建制。日军第10师团长要求濑谷支队长从事果敢的攻势。
3月26日，日军台儿庄派遣队发出电报：
敌军兵力约三个师，城内火车站附近并有列车炮。
派遣队等待增援，拟于27日开始攻击。
战死20名，受伤名，突入城内失踪者15名。
3月26日，国军孙连仲电令：军以歼灭由峄县南下增援敌人之目的，拟27日拂晓开始攻击；以第27师为主攻部队，第31师扼守原地小部袭击当面之敌，独立44旅相机助攻断敌归路。
3月27日，中华民国空军第2大队奉令进驻战场，协助国军陆军作战，但是直到4月3日、4日、5日才升空助战协助地面部队，损失数架战机后移防至武汉。
第二十集团军接到第二集团军电报：台儿庄寨墙北部被敌炮毁，突入约三四百人，与我方混战，峄县之敌约二千余人，炮十余门，战车十余辆，分途南下，一部乘车至北洛，向台儿庄急进
李宗仁电令第二十军团：该军团即放弃峄县、枣庄之计划，速以一部监视当面之敌，以主力向南转进，先歼台儿庄之敌
汤恩伯电令：敌主力本日猛攻台儿庄企图渡河南窜，正与我孙集团激战中；本军团拟全部南进夹撃协同孙军一举将敌聚歼于台儿庄附近；第52军应于本晚星夜由傅山、青山一带向南下之敌夹击，并与孙集团军切取联络；第82军应以一部占领云谷山黄山马山一带，牵制郭里集一带之敌主力
3月28日，早晨，日军台儿庄攻击兵力增强开始对台儿庄展开攻势，日军虽一度突破台儿庄北垣，但最终仍被池峯城之31师所驱退。第85军第4师在黄山、马山与日军千余人激战。
汤恩伯下令：第52军应以主力确保女峯山、石城岗一带，同时选派有力之三个团，附全部山炮及战车炮，迅速驰援台儿庄，协力第二集团军夹击南攻台儿庄之敌；第85军应以主力占领抱犊岗一带高地，实行佯攻枣庄、峄县，以牵制敌之主力
3月29日，濑谷支队方面战况紧迫，步兵第10联队及步兵第63联队会合试图控制住台儿庄城的南门与东门；但第二集团军采取白刃战与日军拼杀，在整个集团军伤亡七成的情况下，守城的31师师长池峯城仍与他的部下持续对濑谷支队力战死守，使日军伤亡激增。因为台儿庄战线僵持不下，且可能遭包抄，坂本支队主力停止对沂州攻势，由临沂战线撤离南下援救濑谷支队。
3月29日，汤恩伯下令：
临沂南进之敌步骑兵三千余，炮二十余门，战车十余辆，有援台儿庄附近之敌，威胁本军团侧背之模样，第52军主力以洪山镇为轴，外翼经该镇东北转向向城、爱曲席卷，将敌卷入我包围线内。
3月29日，蒋介石电令第二集团军：
台儿庄屏障徐海，关系第二期作战至钜，故以第二集团军全力保守，即有一兵一卒，亦须本牺牲精神，努力死拼，如果失守，不特全体官兵应加重惩，即李长官、白副参谋总长、林次长亦有处分。
3月29日，第二集团军传令各部官兵“犠牲到最后一滴血，奋斗到底”：
本日拂晓，军事全力猛攻当面之敌，为督饬各部作战，派冯军长安邦赴右翼27师督战，田军长镇南赴左翼30师、31师督战，对退缩不前与作战出力官兵，确实执行惩奖。
3月30日，第五战区司令李宗仁电令汤恩伯军团：敌主力似已南下，其一部绕出台儿庄东侧第27师背后，企图由万里闸方面渡河，包围我孙军后方，着贵军团长以一部监视峄县，亲率主力南进，协同孙军肃清台儿庄方面之敌，并限明日拂晓到达。
3月30日，第52军关麟征电示第31师池峯城：军以人物关系，不克及时南来，殊引之憾，现奉命以全部攻击台儿庄之侧背，30日午后可与敌接触，我辈铁血男儿，决当与敌一拼也！
3月31日拂晓，李宗仁与白崇禧亲自到台儿庄郊外，指挥歼灭入侵台儿庄之日军[20]:。4月2日，蒋介石调黄光华之第师及周碞之第6师向台儿庄增援，战况好转。
4月3日，日本华北方面军接到大本营准备实施徐州会战的电令。
4月3日，李宗仁命令第二十集团军：敌第10师团及第5师团之一旅，经临沂、台儿庄诸战后伤亡极大，本战区以迅速合围歼敌人之目的，决于明三日开始全线总攻击……
4月3日日军控制台儿庄五分之四地方，国军第三十一师伤亡过半，国军第二十七师、第三十师在增援部队支持下进攻，4月5日增援云南国军切断日军运输线，名台儿庄日军至次晨被完全包围消灭。
4月4日，深夜，孙连仲打电话给李宗仁，请求撤退到运河南岸，李宗仁命令死守[21]:-。：“敌我在台儿庄已血战一周，胜负之数决定于最后五分钟”孙连仲见李宗仁态度坚决，回答：“好吧，我绝对服从命令，整个集团军打完为止！”。此时，台儿庄全庄几遭敌军占领，国军守庄指挥官第三十一师师长池峰城，深觉如此下去，必当全军覆没，乃向孙连仲请示，可否转移阵地。后来汤恩伯军团在日军背后出现，濑谷支队撤退不及，陷入国军重围。汤恩伯军团的出现，对日军参谋本部也造成一定震撼；因为在战役前半段与他们战斗的都是地方军阀部队，而“蒋介石的中央军”出现在这个战场，表示国民政府的主力已经在这附近，状况又变得更加复杂。在汤军团强大炮火支援下，台儿庄内国军以敢死队队长仵德厚冲入日军阵地。日军坂本支队陷入苦战，由于后方被国军截断不得不从第10师团接受弹药补充。
4月5日，汤恩伯第十三军在台儿庄以北20英里之洪山镇俘虏几百名日本人并缴获野战炮。以中央军汤恩伯军团卷击台儿庄日军侧背，最终取得台儿庄战役胜利，以毙伤日军一万多人的战果成为近代日本第一次军事挫败[24][25]:。中国老百姓给国军当向导，照顾伤员，甚至在日军炮火下也不离开部队，许多人拣起死者枪支，参加战斗。
4月5日，蒋介石电令第二十军团：
台儿庄附近会战，我以十师之众，对一师半之敌，历时旬余，未获战果，该军团居敌侧背，态势尤为有利，攻击竟不奏功，其将何以自解，即应严督所部，于六七两日，奋勉图功，歼灭此敌，毋负厚望，究竟有无把握，仰即具报为要。
李宗仁电军令部：……当面之敌约三联队以上，炮40余门，战车三四十辆，……今日复以战车连续攻击，炮火集中轰炸2发以上，附近村落民房毁成平地，我阵地官兵亦多同归于尽……。统计各部伤亡最为惨重：第27师仅余战斗员约2名，第31师余名……
同日，坂本支队得到直属上级第五师团师部命令：“准备将部队转移至攻略沂州”。为何日军在台儿庄尚未攻陷时下达这个命令，板垣征四郎后来辩解的理由是说他以为台儿庄已经被攻下[18]，但也承认“当时师团内部的情报极为混乱所以误认”。无论理由，在台儿庄周边的日军认为不用打下去了，因此坂本支队长当天晚上和濑谷支队长连系，表示明天（6日）将要反转战线后撤。这决定了隔天濑谷支队的命运。
4月6日，李宗仁赶到台儿庄附近亲自指挥部队，对第十师团发起了全线出击，日军机动车辆多被击毁，其余也因缺乏汽油而陷于瘫痪。濑谷支队在台儿庄与峄县城周边。
4月6日，汤恩伯呈覆蒋介石：
当面之敌经各军奋勇猛击，歼敌过半，已严令各军迅向台儿庄攻击前进，临沂西南中村附近之敌，似有南进模样，……如敌不再增援，当可于今明两日，将该敌压迫于台儿庄以北附近地区歼灭之。蒋介石令白崇禧李宗仁转知会：张自忠部、庞炳勋部于向城临沂等处游击，阻断日军合围台儿庄，防止敌军会合。
在此同时，昨晚得知友军撤退的濑谷支队长在“没有接到攻占台儿庄命令”、“没有接到撤退命令”的情况下权衡后，也在4月6日日落开始准备撤退。
4月7日凌晨1时，国军发动反攻，以孙连仲第2集团军为主组成的左翼兵团和以汤恩伯第20军团为主组成的右翼兵团在台儿庄及其附近地区大举反攻。双方便展开了巷战、肉搏战，一时间，台儿庄城内枪林弹雨，血流成河。李宗仁命令部队猛追。日军向峄城、枣庄撤退。至此台儿庄战役结束。