李宗仁以第2集团军总司令孙连仲率部固守台儿庄，第20军团军团长汤恩伯率部让开津浦铁路正面，转入兰陵及其西北云谷山区，诱敌深入,待机破敌。3月23日，日军由枣庄南下，在台儿庄北侧的康庄、泥沟地区与守军警戒部队接战。24日起，日军反复向台儿庄猛攻，多次攻入庄内。守军第2集团军顽强抗击,与日军展开激烈的争夺战。第五战区以第20军团主力向台儿庄机动，拊敌侧背，与第2集团军形成内外夹击之势，并令第3集团军进至临城、枣庄以北，断敌后路。日军为解台儿庄正面之危，速以第5师坂本支队(相当于团)从临沂驰援,进至兰陵北面的秋湖地区，即被第20军团第52军卷击包围。4月3日，第五战区发起全线反攻，激战四天，歼灭日军濑谷支队大部、坂本支队一部共万余人。其余日军残部于7日向峄城、枣庄撤退。
徐州附近地区作战
中国最高军事当局令第五战区集中兵力于徐州附近，准备再次聚歼日军。日军改以部分兵力在正面牵制对方，主力向西迂回，企图从侧后包围徐州，歼灭第五战区主力。4月18日，日军第10、第5师分别从山东峄城(今属枣庄)和临沂西北的义堂地区南进，对守军第2集团军和第20、第3军团及第27军团第59军实施牵制性进攻。守军顽强抗击，至月底，将日军阻止在韩庄、邳县(今邳州)和郯城一线。5月5日，日军开始从南北两个方面向徐州西侧迂回包围。在南面，第9、第13师从蚌埠地区分别沿北淝河、涡河西岸北进，至13日，陷蒙城、永城(属河南)后，向江苏萧县、砀山(今均属安徽)进攻；第3师由蚌埠进入大营集地区，向宿县(今宿州)进攻。在北面，第16师由山东济宁渡运河，至14日，连陷郓城、单县、金乡、鱼台后，向江苏丰县、砀山推进；第14师从河南濮阳南渡黄河，陷山东菏泽、曹县后，直插河南兰封(今兰考)；同时，第10师将韩庄、台儿庄地区的作战交由第114师接替后，在夏镇附近渡过微山湖，向沛县(属江苏)进攻。由于日军已形成对徐州的四面合围态势，5月15日，中国最高军事会议决定放弃徐州。16日，第五战区命令各部队分别向豫、皖边界山区突围。19日徐州陷落。日军沿陇海铁路西进，6月6日占领开封。为阻止日军前进,蒋介石9日下令在郑州东北花园口附近炸开黄河大堤，河水经中牟、尉氏沿贾鲁河南泛。日军被迫向黄泛区以东地区撤退。会战结束。
此役，中国军队广大官兵英勇奋战，首先在南线将日军阻止在淮河南岸，打破其与北线日军会合的企图；继而在北线将东路日军击败于临沂地区，又将西路日军之右翼阻止在嘉祥地区，粉碎日军在台儿庄会师的计划。在台儿庄地区作战中，第五战区采取积极防御战法，以一部担任内线防御，另一部置于外线作战，攻防结合，灵活机动，获得大捷。随后，最高军事当局不顾敌强我弱的总体形势，调集大军在徐州附近，企图与日军决战，因而使会战在后期陷于被动。尽管如此，这次会战消耗了日军有生力量，迟滞了日军进攻速度，为部署武汉保卫战赢得了时间。
武汉保卫战（1）
1937年7月7日，芦沟桥事变，揭开了日本全面侵华战争的序幕。7月29、30日，在日军的凶猛进攻下，北平、天津相继陷落。8月13日，日军又大举进攻上海，8月14日，国民党政府在日本重兵压境和全国抗日怒潮的推动下，正式发表《自卫抗战声明书》，宣告：“中国为日本无止境之侵略所逼迫，兹不得不实行自卫，抵抗暴力。”中国军队于淞沪一线血战3个月，至11月12日，上海失守。上海沦陷后，国民党政府于11月20日发表《国民政府移驻重庆宣言》，宣布迁都重庆。但国民党的军政机关并未立即西迁入川，而是首先转移到了武汉。12月13日，南京沦陷后，国民党中央党部与国民政府军事委员会、行政院、监察院、外交部、财政部等部门以及主要的党政军首脑要员们均移驻武汉，武汉遂成为当时全国的政治、军事、外交、经济与文化中心，成为事实上的战时首都，全国抗日救亡运动的中心也转移到了武汉，武汉一时成为全国乃至于全世界关注的焦点。1938年2月，蒋介石发表《抗战必胜的条件与要素》，称“广大的土地和众多的人民两个条件，就是我们抗战必胜的最大武器。”“这次抗战，是以广大的土地来和敌人决胜负；是以众多的人口来和敌人决生死。……我们现在与敌人打仗，就要争时间。我们就是要以长久的时间来固守广大的空间，要以广大的空间来延长抗战的时间，来消耗敌人的实力，争取最后的胜利。”这就是被称为“以空间换时间，以小胜积大胜”的长期抗战战略。1938年3月29日，武昌珞珈山麓，国立武汉大学宋卿体育馆内，中国国民党临时全国代表大会在这里召开，这是全面抗战爆发后，国民党政府召开的最重要的一次会议。这次为期4天的会议最重要的成果之一是通过了《抗战建国纲领》，提出了国民党政府抗战时期的内外政策，这份后来被中国共产党批评为国民党“片面抗战路线”的纲领，虽然表现出单纯的政府和军队抗战的倾向，缺乏真正动员全国各界各阶层人民，实现全民族团结抗战的勇气，但毕竟也表示了国民党政府坚决抗战，并在一定程度上开放民主的决心，在当时对于鼓舞士气，振奋民心产生了积极的影响。抗日战争进入到以保卫大武汉为中心的武汉抗战时期。对此，当时担任国民政府军事委员会政治部副部长的中共代表周恩来在亲自为《新华日报》撰写的社论中指出：“武汉是中华民国的诞生地，是大革命北伐时代的最高峰，现在又是全中华民族抗战的中心。”“全中华民族之爱国各抗日党派，应该宣誓：使中国不再闹分裂，使统一战线永远的巩固和发展下去，使大中华民族永远地团结起来，一直达到抗战胜利，建国成功！”“辛亥、北伐、抗战，这三个历史时期，将造成中华民族复兴的大业。”时任国民政府军委会政治部第3厅厅长的郭沫若在他的名著《洪波曲》中如此写道：“武汉三镇，自北伐以来，在刀光剑影下已经窒息了整整十年”，“沉睡了十年的武汉，仿佛在逐渐地恢复到它在北伐时代的气息了”，“武汉三镇的确是复活了！”6月12日，中国共产党机关报《新华日报》以醒目标题发表题为《保卫大武汉》的社论，号召武汉人民，积极地组织起来，武装起来为着保卫大武汉而参加前线作战。所有愿意参加敌人后方活动的青年战士迅速组织起来，英勇地到敌人后方去工作。6月27日，国民党中央宣传部、国民政府军事委员会政治部发表《抗战一周年纪念宣传大纲》，正式提出了“保卫大武汉”的口号。7月5日，等七名中共参政员在《我们对于国民参政会的意见》中提出，要“动员军力人力财力物力来保卫我们军事政治经济交通中心的大武汉”。7月7日，第9战区司令长官、武汉卫戍总司令陈诚在为抗战周年纪念日所作《以全力保卫大武汉》一文中指出：“保卫大武汉，为当前最迫切的任务。”“今日武汉已成为第三期抗战中最重要的据点，这里是我们雪耻复仇的根据地，也是中华民族复兴的基石，今日全国民众，尤其是在武汉的每个军民，应当激发最大的同仇敌忾心，人人都下定与武汉共存亡的决心，来守住这个重要的国防堡垒，必能给予敌人以致命的打击，造成将来决战中极为有利的形势。”7月6日至15日，第1届国民参政会在汉口召开，会议确定了“抗战到底，争取国家民族之最后胜利”的基本国策，并庄严宣告：“中华民族必以坚强不屈之意志，动员其一切物力人力，为自卫，为人道，与此穷凶极恶之侵略者长期抗战，以达到最后胜利之日为止。”8月9日，武汉三镇各界人民举行声势浩大的“保卫大武汉”歌咏大游行，在著名音乐家冼星海的指挥下，游行群众齐声高唱由郑律成(《中国人民解放军军歌》曲作者)作曲、沙旅·尔东作词的《保卫大武汉》，激昂的歌声响彻在武汉三镇的天空：
热血沸腾在鄱阳，火花飞迸在长江，全国发出了暴烈的吼声，保卫大武汉！
武汉是全国抗战的中心，武汉是今日最大的都会，我们要坚决地保卫着她，像西班牙人民保卫马德里。
粉碎敌人的进攻，巩固抗日的战线，用我们无穷的威力，保卫大武汉！
鏖战前夜
1938年夏秋，武汉是中日战争的焦点，围绕着武汉的攻守，中日双方统帅部进行了周密的军事部署。日本大本营陆军部攻占南京后就开始研究所谓“攻占汉口作战”。1938年5月徐州会战一结束，即决定于当年秋季进行“汉口作战”。6月15日，日本御前会议正式决定“进行攻占汉口作战”。18日，大本营陆军部迅速下达“准备汉口作战”的命令，并确定“以初秋为期，攻占汉口”。日本大本营在制定进攻武汉计划的同时，即开始全面配置兵力。
1938年5月，日本大本营陆军部决定：进攻汉口作战由“华中派遣军统一指挥”，并着力加强华中派遣军的力量。至7月初，华中派遣军的兵力由徐州会战后的3个师团一下子增加到14个师团另2个旅团、2个支队，并编组为第2军、第11军和直辖部队、航空兵团等4个作战单位。