配合第10师团作战。第10师团组成长濑支队，于2月17日开始对济宁方面中国军队反击，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，26日越过运河占领嘉祥。中国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，使华北日军大部队在这一带徘徊不能南进，暂时稳定了战局。华北日军第5师团组成片野支队，于23日占领潍县，接着该支队编入坂本支队继续南进，并于3月5日占领汤头。
华北日军第二军司令官西尾寿造于3月上旬通过华北方面军向大本营申请“追剿眼前之敌，绝不是深入南进作战，为警备后方希望增加兵力”。得到日本大本营批准后，于1938年3月8日向第10师团作了传达。
3月13日，华北日军第二军正式命令第10师团消灭大运河以北之中国军队，第5师团以一部占领临沂后进入峄县附近配合第十师团作战。其企图是，“在达到以上目的后，大致在滕县、沂州一线，给以后作战作好准备”。
滕县和临沂均为鲁南要地，是日军由山东北部进到运河沿线必经之地，津浦铁路线上的韩庄和临枣支线上的台儿庄紧临运河北岸。
华北日军大部队欲进占运河以北地区，必须首先攻占滕县和临沂，而后进占韩庄至台儿庄一线。
板垣、矶谷两师团，是日军精锐之师，此次进攻，来势相当凶猛，大有一举围歼中国军队之势。日军两个师团以六万兵力，在华北方面第二军指挥下，分两路向台儿庄进发。一路为板垣第5师团，沿胶济路西进，进逼临沂；一路为矶谷的第10师团，该师团沿津浦路南下，直取台儿庄。日军第二军按计划实施的进攻，直接导致了滕县及临沂战斗，从而展开了鲁南地区的台儿庄战役。
2月下旬，日军东路第5师团从山东潍县南下，连陷沂水、莒县、日照，直扑临沂。 中国军队第3军团第40军等部节节抵抗。李宗仁派遣庞炳勋部，先在临沂建立防御阵地，以诱敌深入，先挡住日军第5师团的正面攻击，然后迅速调派张自忠将军的第59军，派遣参谋长封少君兼程驰援临沂。
张自忠部此时远在淮河流域一带，但是在接到命令之后，立刻以最快的速度，向临沂方向增援。此时日军也掌握到张自忠部的动向，但是日方估计，59军最快也要3天的时间，才能从峄县赶到临沂，所以日军认为可以抢先击溃在临沂弹尽援绝的庞炳勋部，然后再以逸待劳地反
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