之第51軍所屬第114師在王莊陣地同日軍展開激烈爭奪，幾經血戰陣地失守，中國軍隊傷亡2000餘人。2月13日，張自忠率第59軍抵達淮河流域，在瓦疃集、姚集、固鎮、蒙城一線，接替第51軍戰鬥。

於此同時，廖磊率第21集團軍到達合肥、舒城、八斗嶺、下塘集之線。

中國軍隊以第51、第59軍在淮河北岸節節抵抗；以韋雲淞之第48軍固守爐橋、洛河一線；劉士毅之第31軍和周祖晃之第7軍對日軍側背進行襲擊。2月11日，第31軍圍攻上窯，守軍沖人圩內與敵肉搏，敵300餘人向考城逃竄，日軍被殲100餘人。

2月16日，周祖晃之第7軍由張橋鎮、老人倉一線向池河、定遠日軍展開側擊，並一度攻人桑家澗，日軍不得不抽調淮河地區主力6000餘人增援考城、上窯、他河、定遠。

當日軍回援淮南之時，張自忠之第59軍乘機向火神廟、新橋日軍反攻，敵退向曹老集。第59軍分向蘇集、湖口子、曹老集、王莊之線推進，將日軍驅逐至淝河南岸，並朝淮河北岸推進。日軍國腹背受敵，無力再向北進攻，乃全部退回淮河南岸，沿邵伯、天長、盱眙、臨淮關、蚌埠、懷遠、三十里鋪之線與淮河北岸中國軍隊形成隔河對峙的局面。

北線作戰

日軍華北方面軍第2集團軍司令官西尾壽造指揮兩個師分路南下。一路由華北方面軍板垣徵四郎的第5師（該師於1938年1月配屬第2集團軍）沿膠濟鐵路東進，19日與其海軍會師青島。旋即南下，連佔沂水、蒙陰等地。至濰縣後，沿臺濰公路南下，試圖奪取魯甫要地臨沂，從東路進攻徐州。

2月21日，日軍第21旅旅長墳本順率3個步兵團、1個炮兵團、1個騎兵營，共約2萬人，向臨沂突擊，沿途遭到中國第3軍團等部的節節抵抗。

日軍連陷諸城、莒縣、沂水，於3月5日到達臨沂以北之湯頭、白塔一帶，距城僅10餘里。3月10日，日軍在坦克、飛機與炮兵火力掩護下，向臨沂猛攻。

中國駐臨沂守軍實際兵力僅有5個團，以及從青島撤退的海軍陸戰隊。

與日軍激戰後，守軍龐炳勳部傷亡極大，連電告急。第5戰區即令張自忠之第59軍從膚縣附近緊急馳援臨沂，第59軍於12日抵達臨沂北郊之沂河西岸。

3月14日凌晨，第59軍強渡沂何，向敵發起反擊，經數日激戰，連克亭子頭、大太平、申家太平、徐家太平、沙子嶺等多處敵據點。3月16日，日軍向第59軍石家屯東南至大安子、崖頭、劉家湖、釣魚臺之線陣地反撲，敵機狂轟濫炸，第59軍第38師傷亡雖重，仍然堅守陣地。

18日，第59軍與第3軍團從東、南、西3面夾擊湯頭、王疃、傅家池附近日軍，經過3幹激戰，先後攻克李家五湖、輦沂莊、車莊，日軍被擊退，向官具逃竄，中國軍隊取得臨沂第一次勝利。這次戰鬥，張、龐兩軍共傷亡3000餘人，日軍亦傷亡約3000人。

3月20日，第59軍主力奉命調費縣方面作戰，日軍第5師增援到達後，於23日再向臨沂發動猛攻，龐炳勳部守軍傷亡甚重，形勢危急，第5戰區又令第59軍星夜馳援臨沂，3月24日，該軍趕回臨沂西北向日軍側背發起進攻，並派出一部增援龐部確保臨沂。敵憑藉優良裝備，全力反撲。第59軍奮戰至29日，敵損失慘重。張自忠下令全線出擊，日軍被迫撤退。中國軍隊取得臨沂第二次勝利。臨沂保衛戰的勝利，使日軍第5、第10師會師企圖失敗，為爾後臺兒莊殲敵奠定了有利基礎。

另一路日軍華北方面軍第2集團軍之第10師沿津浦路南下。津浦路北段保衛戰，原由中國軍隊第5戰區副司令長官兼第3集團軍總司令韓復榘指揮。由於韓不戰而逃，致使日軍長驅直入。

25日，日軍進佔周村。　27日佔領濟南。

1938年1月1日，磯谷廉介所部第10師佔領泰安。1月上旬，韓復榘所部放棄大汶口、濟寧，退至曹縣、城武（今成武）、單縣一帶，使北段津浦路正面大門被開啟，日軍沿鐵路線向南推進。韓復榘擅自撤退，被判處死刑，改任孫桐萱（原韓部所轄第12軍軍長）為第3集團軍總司令。

2月10日，李宗仁為確保徐州地區安全，令孫桐萱部向運河以東推進，襲取濟寧。2月14日，第22師渡運河，攀登入城，與濟寧城內日軍展開巷戰。敵我短兵相接，由於日軍大批增援，該師傷亡甚重，17日晚撤至運河西岸。

19日，日軍