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此时，第二集团军各师已到达徐州附近，孙连仲奉命赶赴台儿庄实施指挥，并派遣第27师守卫运河河防。
濑谷支队的沂州支队策应第5师团向临沂方向进攻，第10联队主力位于临城，第63联队主力位于峄县，准备占领台儿庄并保障侧翼安全，之后再向临沂前进，日军占领北洛。
3月24日，第52军团的第52军在郭里集包围了一部分日军。
随后，第85军第4师也已经到达枣庄以北的山地，攻入城西，焚烧敌军战车8辆，并夺占了日军在枣庄的三个碉堡及中兴煤矿公司的水塔。
此时，日军不得不抽调第十联队增援枣庄。
日军濑谷支队兵力分为两支，第十联队与第二十军团四个师对峙，以第六十三联队为主力与第二集团军三个师又一个旅对峙，进攻的重点是台儿庄。
在此背景下，汤恩伯的第20军团有两种作战可能，一是继续攻打枣庄和郭里集，一是以主力南下攻击自南下的日军侧背，支援台儿庄守军。
然而，汤恩伯选择保持实力，游动在枣庄和峄县一带，不愿离开山区。
3月27日后，第85军撤回抱犊山，第52军也撤向这一带山区。
3月24日至27日，日军向刘家湖发动进攻，但被守军赶出。
第31师采取收缩兵力的战术，在北站、南洛、台儿庄和刘家湖分别设防。
日军兵力逐渐增加，并补充了重炮、坦克和弹药。
中国野战重炮团和战车防御炮营、一个铁甲车中队也相继到达台儿庄，大大增强了守军火力。
日军在战车掩护下猛攻台儿庄，突破北门，再度占领东北角。
守军的战防炮大显神威，击毁敌战车6辆。
同时，第185团在刘家湖向日军发起攻击，部分士兵挥舞大刀冲入敌军炮兵阵地，一度使日军大批士兵弃炮而逃。
日军得到增援后再次对台儿庄发动攻击，双方在城内展开激烈的巷战，守军顽强抵抗。
城内阵地遭受炮火轰击，城外的第30师和独立第44旅不断向三里庄和刘家湖发动攻击，牵制日军对台儿庄的压力。
3月28日，日军南下攻坚，与台儿庄派遣队会合，并占领城西北角。
守城的第31师主力及直属部队和第30师的一个团部都投入城内，实施分区防守。
第五战区第30军军长田镇南和第42军军长冯安邦也分赴左右两翼督战。
3月30日，濑谷支队主力从峄县南下，保障台儿庄攻坚部队的后方和两翼，并与第27师展开激战。
第27师反击刘家湖，截击了日军炮兵部队，并击毁了5辆日军战车，但中国军队的战防炮也被击毁。这一天，日军对台儿庄的攻击达到顶点，但在夜间中国守军乘夜出击，日军被迫退守北门，中国守军夺回了台儿庄的四分之三的街市。
当台儿庄战事紧张时，第五战区长官李宗仁多次命令汤恩伯南下夹击日军，但汤恩伯迟疑不决，留在山区不前进。
直到3月29日，李宗仁再次下令汤恩伯南进，并威胁称若不听命，将严惩。
蒋介石也亲自致电汤恩伯，要求他全力以赴支援战略协同，以获得胜利。
于是，汤恩伯指挥部队南下，夹击日军濑谷和坂本支队。
3月29日，坂本支队开始向濑谷支队救援，但留下两个步兵大队在临沂。
坂本支队主力步兵四个大队和炮兵两个大队在当晚出发，3月31日到达向城和爱曲附近，袭击第52军侧背。
汤恩伯调遣第85军一部在爱曲和作字沟一带阻击日军。
4月1日，坂本支队占领兰陵镇，汤恩伯则放开大路，坂本支队顺利进入台儿庄以东地区。
随后，第52军南进，第85军北进，共同夹击日军濑谷和坂本支队。
同时，第75军先头部队也到达，参与对日军的包围。日军开始丧失主动权。
4月1日前后，战局情况已经比较清晰，尽管日军的坂本支队和濑谷支队围攻了第31师，在西、南、东南和东北等几个方向上，它们也都被第20军团和第二集团军的反包围所困扰。
与此同时，山东第三集团军的一部分主力已经越过大运河，向津浦路和沂蒙山区袭击日军的后方补给线。
使日军陷入被动。守城部队池峰城召开军事会议，决定坚守城寨和已经占领的阵地，并积极展开小规模夜袭行动。
与此同时，日军也撤出了西北角的兵力，并向东南部地区发起攻击。
4月2日，日军与中国第27师的战斗异常激烈。
中国军队表现出了视死如归的精神，勇往直前。
4月3日，坂本支队和濑谷支队会合后，向肖汪方向发动攻击。
中国第75军第1