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重的損失，造成日軍部隊已經無法繼續支撐作戰，只有先撤退回莒縣以困守待援（當時日軍雖以超過一百多輛的卡車，滿載陣亡的日軍屍首匆促地奔逃，但戰場上仍然遺留了不少的死屍。日軍一向非常重視同胞屍首的處理，不是危急到沒有辦法，通常都會設法帶回焚化，將骨灰帶回日本）。臨沂之戰得勝，它砍斷了津浦路北段日軍的左臂，促成了之後臺兒莊會戰中，李宗仁圍殲孤軍深入臺兒莊的磯谷師團的契機。
正當板垣敗績累累之際，日軍西路第10師團長磯谷仍然武士道精神十足，不顧一切，日益向南推進。李宗仁調來川軍鄧錫侯第22集團軍，孫震的第41軍趕往滕縣，拒敵南下。孫震部剛在滕縣部署就緒，3月14日，磯谷師團就發動攻擊。日軍以數十架飛機30餘門大炮狂轟濫炸，守軍師長王銘章督戰死守。3月17日晚，日軍配合炮火攻陷滕縣（今滕州）。中國守軍第22集團軍第41軍英勇抗擊，傷亡甚重，苦戰至17日，該軍守城的第122師師長王銘璋殉國，傷亡達5000之眾。李宗仁見滕縣危險，又急令新撥歸第5戰區指揮的第20軍團司令湯恩伯派部馳援。湯的主力81軍王仲廉部因行程過遠，未能及時趕到，滕縣失守。敵軍損失也極大，死傷達2000多人。此戰，22集團軍以劣勢之裝備與兵力，阻擊絕對優勢之敵達3天半，為第5戰區之後的臺兒莊會戰爭取了有利時間，奠定了勝利的基礎。
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臺兒莊戰役
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血戰之後，滕縣被日軍摧毀。
3月20日，日軍磯谷師團借攻克滕縣之威，在飛機的掩護下，集中4萬人，配以坦克、大炮，向臺兒莊發動了猛烈的進攻，企圖一舉攻佔徐州。
李宗仁以第2集團軍總司令孫連仲率部固守臺兒莊，第20軍團軍團長湯恩伯率部讓開津浦鐵路正面，轉入蘭陵及其西北雲谷山區，誘敵深入，待機破敵。
3月23日，日軍由棗莊南下，在臺兒莊北側的康莊、泥溝地區與守軍警戒部隊接戰。24日起，日軍反覆向臺兒莊猛攻，多次攻入莊內。守軍第2集團軍頑強抗擊，與日軍展開激烈的爭奪戰。日軍猛攻3天3夜，才衝進城內。城內中國守軍同日寇展開了激烈的巷戰。儘管日軍佔據了全莊的三分之二，但堅守在南關一帶的中國守軍至死不退，死守陣地，目的是為了外線部隊完成對日軍的反包圍。這是李宗仁早已制定好的作戰計劃，以部分兵力死守臺兒莊，守軍儘量拖住敵人，以便莊外的大軍將日寇團團圍住，來個甕中捉鱉。
28日，日軍攻入臺兒莊西北角，謀取西門，切斷中國守軍第31師師部與莊內的聯絡。該師師長池峰城指揮，以強大炮火壓制敵人，並組織數十名敢死隊員，與敵肉搏格鬥。湯恩伯軍團關麟徵第52軍和王仲廉第85軍在外線向棗莊、嶧縣日軍側背攻擊。29日，日軍瀨谷支隊再以兵力支援，並佔領了臺兒莊東半部。31日，中國守軍將進入臺兒莊地區的瀨谷支隊完全包圍。是時，坂本支隊由臨沂轉向臺兒莊馳援，到達向城、愛曲地區，側擊第20軍團。該軍團即命第52軍和剛到的第75軍圍攻坂本支隊。激戰數日，予日軍以重創，使其救援瀨谷支隊的計劃落空。
磯谷師團見救援無望，決定以死相拼，一個個殺紅了眼。國民黨軍隊雖以5倍的兵力圍攻，並付出極大的傷亡代價，但竟難以將敵人消滅，戰爭一時呈膠著狀態。
4月3日，李宗仁下達總攻擊令。第52軍、第85軍、第75軍在臺兒莊附近向敵展開猛烈攻勢。日軍拼力爭奪，佔領大部分街市。中國軍隊展開街壘戰，逐次反擊，肅清敵人，奪回被日軍佔領的街市。
4日，中國空軍以27架飛機對臺兒莊東北、西北日軍陣地進行轟炸。當晚，日軍瀨谷支隊力戰不支，炸掉不易搬動的物資，向峰縣潰逃。
4月6日，李宗仁趕赴臺兒莊附近，親自指揮中國軍隊向磯谷師團發起了全線出擊。一直防守遭攻的孫連仲部，聽說反擊，神情振奮，命令一下，殺聲震天。雙方便展開了巷戰、肉搏戰，一時間，臺兒莊城內槍林彈雨，血流成河。日軍頭一次遭到了國民黨軍隊的如此頑強進攻，很快便潰不成軍。臺兒莊北面，槍炮聲漸密，湯恩伯軍團已向敵人開火。磯谷知已陷入重圍，開始動搖，下令部隊全線撤退。此時敵軍已成強弩之末，彈藥汽油也用完，機動車多被擊毀，全軍喪魂落魄，狼狽逃竄。李宗仁命令部隊猛追，敵兵遺屍遍野，各種輜重到處皆是，磯谷本人率殘部拼命突圍。
激戰4天，中國軍隊重創日軍瀨谷支隊、坂本支隊，其餘日
