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（火田）俊六大將，于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，雙方血戰月余，不分勝負。敵軍在此停留，竟不能越雷池一步，這大出（火田）俊六所料，十分惱怒。於是（火田）俊六遂自南京調集援兵及坦克、野戰炮等重武器，傾巢來犯。敵人洶洶而來，李宗仁感到硬拼硬堵要吃虧，待敵援軍聚集明光一帶時，李宗仁命坐鎮蚌埠的李品仙將三十一軍于1月18日自明光全線西撤山區，伺機出擊，將津浦路南端正面讓開；將於學忠的五十一軍南調，佈防淮河北岸，憑藉險要地形，拒敵越河北進，敵援軍是以餓狼撲食之勢猛撲明光，結果撲了個空，沒有捕捉到李的主力。接著日軍攻下定遠、懷遠等地，但一無所獲。此時西撤的三十一軍遵李指示，從敵軍左側向東出擊，將津浦路之敵截成數段，圍而殲之。淮海前線之敵，後路忽被斬斷，不知兇吉，費九牛二虎之力迅將三十一軍從津浦線向西壓。李遂命部隊採用敵迸我退、敵退我進的戰術，牢牢地盯住津浦線；此時參加淤滬會戰的二十一集團軍北調合肥，日軍有後顧之憂不敢隨意北進，一時津浦路南端戰事，形成敵我雙方膠著對峙局面。

　　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。津浦路保衛戰，原由第五戰區副司令長官兼第三集團軍總司令韓復榘指揮，豈知駐紮魯境的韓復榘，大敵當前，還為保存實力打小算盤。12月23日，日軍一部攻陷延安鎮、歸仁鎮後，韓未戰而走，造成了嚴重後果。27日，濟南失守，日軍由博山、萊蕪迂襲泰安。1938年1月1日，泰安落人日軍北方軍第二軍礬谷廉介之手。韓復榘連連喪池失地，致北段津浦路正面大門洞開，使日軍得以沿線長驅直入，給徐州會戰投下陰影。李宗仁有些著急，屢屢致電韓奪回泰安，並以此為根據地阻截南下之敵。韓對李的命令置若罔聞，一錯再錯。為此，韓遭到蔣介石槍斃的處置，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。孫部第二十二師負責攻取濟寧，于二月12日晚由大長溝渡運河，14日晚有一小部攀登入城，雙方短兵相接，血戰數日，終因敵我雙方力量懸殊，入城部傷亡極大，17日晚撤至運河西岸。與此同時，第十二軍八十一師也直取汶上，于12日晚由開河鎮渡運河，一部由城西北攻入城內，與日軍進行激烈巷戰，終因人少勢弱，損失嚴重，13日奉李宗仁之命撤向運河西岸。19日，日軍攻陷安居鎮，22日突破曹福林第五十五軍陣地。25日，日軍突破杏花村陣地，守軍被迫撤至相裏集、羊山集、巨野一線。但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，由少壯派軍人板垣徵四郎、礬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）文線及臺濰（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。板垣、礬谷兩師團，是日軍精銳之師，大部官兵都是參加過“二二六”日本政變的，此次進攻，來勢相當兇猛，大有泵突狼奔、一舉圍殲中國軍隊之勢。