日军占领南京后，为沟通南北战场，打通津浦路，会师武汉，把徐州作为他们攻取的首要目标。徐州是江苏省西北部一个重要城市，它位于黄淮两水间，地据鲁、豫、皖、苏四省之要冲，是津浦、陇海两铁路之枢纽；徐州四周山峦重迭，河川纵横，在我国历史上历来是兵家必争之地。南京政府鉴于徐州战场的安危直接关系到全国的抗日大事，决心在此进行一次会战。1937年10月，李宗仁被任命为第五战区司令长官，直接指挥徐州会战。
津浦路上巧用兵
徐州会战分两期，第一期是津浦路的初期保卫战，第二期是台儿庄会战。
第一期的津浦路保卫战是从1937年12月中旬开始的。日军以津浦路南端为主攻，北段为辅攻，分别南北向徐州推进。
南端敌军指挥官畑俊六大将，于12月中旬，指挥8个师约8万之众，先后自镇江、南京、
芜湖渡江北上。日军以为拿下蚌埠已是易如反掌，孰料行至明光以南，即被李宗仁部署的第31军和第51军，利用淮河、淝河、汇河等地形堵截，双方血战月余，不分胜负。敌军在此停留，竟不能越雷池一步，这大出畑俊六所料。
畑俊六遂自南京调集援兵倾巢来犯，李宗仁感到硬拼硬堵要吃亏，待敌援军聚集明光一带时，李宗仁命坐镇蚌埠的第11集团军李品仙总司令，将31军自明光全线西撤至山区，伺机出击，将津浦路南端正面让开；将51军南调，布防淮河北岸，凭借险要地形，拒敌越河北进，敌援军是以饿狼扑食之势猛扑明光，没有捕捉到李的主力。接着日军攻下定远、怀远等地，但一无所获。此时西撤的31军遵李指示，从敌军左侧向东出击，将津浦路之敌截成数段，围而歼之。淮海前线之敌，后路被斩断，不知凶吉，费九牛二虎之力才将31军从津浦线向西压。李遂命部队采用敌进我退、敌退我进的战术，牢牢地盯住津浦线；此时参加淞沪会战的21集团军北调合肥，日军有后顾之忧不敢随意北进，一时津浦路南端战事，形成敌我双方胶着对峙局面。
李宗仁在指挥津浦路艰难抵抗北进之敌的同时，又积极阻截华北日军南下。津浦路北段保卫战，原由第五战区副司令长官兼第三集团军总司令韩复榘指挥，岂知驻扎鲁境的韩复榘，大敌当前，还为保存实力打小算盘。12月23日，日军一部攻陷延安镇、归仁镇后，韩未战而走， 27日，济南失守，日军由博山、莱芜迂袭泰安。1938年1月1日，泰安落入日军北方军矾谷廉介之手。韩复榘连连丧池失地，致北段津浦路正面大门洞开，使日军得以沿线长驱直入，给徐州会战投下阴影。李宗仁有些着急，屡屡严电韩夺回泰安，并以此为根据地阻截南下之敌。韩对李的命令置若罔闻，一错再错。为此，韩遭到蒋介石枪毙的处置，由孙桐萱代任其职。
为确保徐州地区的安全，李宗仁命孙桐萱部向运河以西推进，袭取济宁、汶上的日军据点，以牵制敌人主力。孙部第22师负责攻取济宁，于2月12日晚由大长沟渡运河，并与日军相接，血战数日，终因敌我双方力量悬殊，我入城部队伤亡极大，17日晚撒至运河西岸。与此同时，第12军81师也直取汶上，于12日晚由开河镇渡运河，一部由城西北攻入城内，与日军进行激烈巷战，终因人少势弱，损失严重，奉命撤向运河西岸。19日，日军攻陷安居镇，22日突破曹福林第55军阵地。25日，日军突破杏花村阵地，守军被迫撤至相里集、羊山集、巨野一线。但李宗仁在这一线布置大量兵力，不断侧击北段南下之敌，使敌军在这一带徘徊不能南进，暂时稳定了战局，摆脱了危机。
临沂保卫战大捷
日军津浦线主力南攻不成，遂改变策略，由少壮派军人板垣征四郎、矾谷廉介率两师团企图会师台儿庄。台儿庄位于津浦路台枣（庄）文线及台潍（坊）公路的交叉点上，扼运河的咽喉，是徐州的门户，在军事上具有重要地位。日军一旦得手台儿庄，便可策应津浦路南端日军攻势，一举拿下徐州。
日军以七八万兵力，在华北方面第二军司令官西尾寿造指挥下，分两路向台儿庄进发。
一路为坂垣第5师团，自1938年1月12日在青岛岭山湾、福岛两处强行登陆后，沿胶济路西进，至潍县转南，经高密，循诸城、荣县一线，进逼临沂；一路为矾谷的第10师团，该师团沿津浦路南下，直取台儿庄。板垣、矾谷两师团，是日军精锐之师，来势相当凶猛，大有一举围歼中国守军之势。
中国军队为堵截日军前进，在临沂、滕县同日军发生了激烈的战斗，揭开了台儿庄会战的序幕。2月下旬，临沂告急。该地是鲁南军事上的必争之重镇，得失关系全局。处此紧急关头，李宗仁令守防海州的庞炳勋军驰往临沂解救。庞部刚到临沂县城，还未来得及休息，便与日军展开激烈攻防战，日军以1个师团的优势兵力，配以山炮1团，骑兵1旅，向庞部猛扑，夜以继日，反复冲杀。临沂城墙高大而又坚固，野山炮也打不穿，庞部凭借这优势，据城死守，使敌人不能越雷池一步，城下敌尸枕藉。
李宗仁担心庞部势孤不能长守，于3月11日，令59军张自忠部由滕县增援临沂。张接到李的命令后，以一昼夜180里的速度赶到临沂。临沂的庞部见援军到，两军内外夹攻，如疾风骤雨向坂垣反击，坂垣从宫县增兵2000人，以飞机大炮掩护，配合坦克、装甲车进攻。庞、张两部咬紧牙关，与日军激战数日，反复肉搏，击溃坂垣师团一旅，敌死伤过半。3月17日晚，敌向沂水退却，庞、张合力穷追一昼夜，日军一退90里，缩进莒县城内死守。
在李宗仁的指挥下，临沂保卫战取得了惊天动地的胜利，它砍断了津浦路北段日军的左臂，粉碎了日军会攻台儿庄的计划，促成了李宗仁围歼孤军深入合儿庄的矶谷师团的契机。
台儿庄痛歼日军精锐（1）
虽然坂垣败绩累累，但矾谷仍然不顾一切，日益向南推进。矾谷比坂垣更凶，李宗仁檄调自郑州来的邓锡侯第22集团军的第41军孙震赶往滕县，拒敌南下；3月15日，孙部刚在滕县部置就绪，矾谷师团就开始发动攻击。日军以数十架飞机、30余门大炮狂轰滥炸，守军师长王铭章督战死守。李宗仁见滕县危险，又急令新拨归第五战区指挥的第20军团司令汤恩伯派部驰援。汤的主力81军王仲廉部因行程过远，未能及时赶到，3月17日晚，日军配合炮火攻陷腾县，20日攻占郅县，并沿台枣支线向台儿庄阵地突进。
对矶谷军事行动的后果，李宗仁有着充分的估计；此次台儿庄一失，不但前功尽弃，士气、民气受到巨大的挫伤，国内恐日病大涨，而且给日后的战略转移带来难以想象的损失。
为了确保台儿庄，他制订了相应的作战计划。李考虑到孙连仲的第2集团军最善防守，即令孙派3个师，沿运河布防，扼守台儿庄正面阵地，李判断矶谷前次战役占了上风，骄狂不可一世，一定不待蚌埠方面援军北进，便会直扑台儿庄，以期一举而下徐州，夺取打通津浦路的首功。因此，李便决定设圈套，请其入瓮。于是，他命令汤恩伯第20军团的2个师让开津浦路正面，诱敌深入，待矾谷直扑台儿庄后，再回头攻敌之背，与孙连仲一起将敌围而歼之。
事态的发展正如李宗仁所预料的那样，敌人从滕县南下，舍汤恩伯军不顾，直扑台儿庄。敌军总数约有4万，拥有七八十辆坦克，百余门山野炮和重炮，重轻机关枪更是不计其数。3月23日，矾谷军冲到台儿庄北泥沟车站，徐州城内已炮声可闻，台儿庄会战的战幕正式拉开。
3月24日，敌军采用上次攻打滕县的战术，先猛烈轰击孙连仲军的防御工事，接着以坦克为前导，向孙部阵地推进。狂风暴雨般的枪炮弹，把台儿庄外围阵地工事基本摧毁，敌人步步逼进。日军的这种凌厉攻势，使孙连仲部在一无平射炮，二无坦克的条件下，无法反击。但他们知道，台儿庄是他们的光荣，也是他们的坟地，因此以血肉之躯与靠近的日军拼杀，与横冲直撞的日军坦克同归于尽。
尽管孙部士兵英勇抵抗，仍被日军冲入城内。孙部没有退却，与城内日军展开了激烈的巷战。此时，担负台儿庄中央防线北面作战的汤恩伯军团，在峰山、枣庄一带同日军作战后不久，置台儿庄危急于不顾，转移到姑婆山区躲起来。李宗仁严令汤军团迅速南下，协同孙连仲夹击台儿庄正面之敌。汤为保存实力，仗着有蒋介石为后台，置军令于不顾。李宗仁深知汤一贯自恃是蒋介石的嫡系，骄横不可一世，也不敢轻易得罪他，因此三令五申，晓以大义。汤仍不予理睬。无可奈何之下，李宗仁再次发电汤恩伯：“如再不听命令，殆误战机，当以军法论处，同韩复榘同样下场。”汤敬酒不吃吃罚酒，见李宗仁下了死令，才挥师南下。
然而，此时台儿庄孙连仲部已伤亡殆尽，全庄四分之三地盘为日军占据，日军一面在电台宣称已将台儿庄占领，一面调集重炮、坦克疯狂冲击，企图一鼓作气，完全夺下台儿庄。孙连仲强烈地意识到，再孤军死守将全军覆亡。因此4月5日直接与李宗仁通电话，要求把部队暂时撤到运河南岸，让他的第二集团军留点“种子”。李宗仁深知孙的处境是何等的艰难，又是何等的悲壮，但李宗仁更清楚，台儿庄目前的重要性，因此鼓励孙连仲说：“敌我在台儿庄已血战一周，胜负之数决定于最后5分钟。援军明日中午可到，我本人也将于明晨来台儿庄督战，”你务必守至明天拂晓。”说完，怕孙情绪低下，影响士气，又下令道：我的命令如若违抗，当军法从事。孙连仲表示：“我绝对服从命令，整个集团军打完为止。”孙连仲的态度，使焦急万分的李宗仁感到有些安慰，但他总有些不放心，又指示孙连仲：“今夜你还须向敌夜袭，以打破敌军明晨拂晓攻击的计划，待汤军团明日中午到达后，我们便可对敌人实行内外夹击。”孙表示部队已用完，夜袭不容易。李听后立即指示：“我现在悬赏10万元，你将后方凡可拿枪的士兵、担架兵、炊事兵与前线士兵一起集合起来，组织一支敢死队，实行夜袭。这10万块钱将来按人平分。”孙连仲将李宗仁的命令传达后，数百人一支的敢死队很快成立起来。
当日午夜，敢死队分组向敌出袭，冲击敌阵。他们个个精神异常振奋，各自为战。已是血战数日的敌军，也精疲力竭，深夜正堕入梦乡，听到不知从哪来的枪声，顿时乱作一团，一面仓皇应战，一面后退。经数日血战为敌所占的台儿庄各街，竞在短短不到一小时内，一举夺回四分之三。
李宗仁不但得报孙连仲夜袭成功的喜讯，又得汤恩伯部翌日天明前可赶到台儿庄的消息，立即亲率随员，连夜赶到台儿庄郊外，亲自指挥对矾谷师团的歼灭战。
矶谷师团的厄运终于降临了。黎明之后，台儿庄北面，枪炮声渐密，汤恩伯军团已向敌人开火。矾谷知已陷入重围，开始动摇，下令部队全线撤退。4月6日晚，李宗仁亲自指挥台儿庄守军全线出击。一直防守的孙连仲部，听说反击，精神大振，命令一下，杀声震天。此时敌军已成强弩之末，弹药汽油也用完，机动车多被击毁，全军丧�