1937年7月7日，河北宛平盧溝橋畔的上空，響起了日軍全面侵略中國的罪惡槍聲。民族災難的信號，驚動著每壹個中國人的心，四萬萬中國同胞，掀起了救亡熱潮。
7月30日，平、津失陷，日軍又以40萬兵力，分四路全面舉兵南侵，壹路由平綏路、同蒲路進攻山西；壹路由平漢路進攻河南；壹路由津浦路、膠濟路進攻山東；壹路沿平綏路進攻綏遠，同時在華東挑起戰端，進攻上海；11月，上海也陷入日軍之手。上海是南京的內門戶，上海被占，南京政府所在地完全暴露在日軍的槍口下。11月底，日軍兵臨南京城下，12月1日正式發起進攻。12月13日，日軍攻陷南京並制造了慘絕人寰的“南京大屠殺”。日軍占領南京後，為溝通南北戰場，打通津浦路，會師武漢，把徐州作為他們攻取的首要目標。
徐州是江蘇省西北部壹個重要城市，它位於黃淮兩水間，地據魯、豫、皖、蘇四省之要沖，是津浦、隴海兩鐵路之樞紐；徐州四周山巒重叠，河川縱橫，在我國歷史上歷來是兵家必爭之地。南京政府鑒於徐州戰場的安危直接關系到全國的抗日大事，決心全力防守，在此進行壹次會戰。這次會戰以徐州為中心，史稱徐州會戰。1937年10月，李宗仁被任命為第五戰區司令長官，駐節徐州，指揮津浦路沿線作戰。
李宗仁受命後，即選派徐祖貽、封少君任戰區參謀長，組織戰區司令長官部。11月初，李宗仁奔赴徐州前線。投入這次會戰的中國軍隊有數十萬人，但部隊戰鬥力強弱差異較大。李宗仁調乓遣將，按其所長，作了細致部署。第三十壹軍軍長劉毅轄壹三壹師、壹三五師、壹三八師，軍中班排長以上幹部，均系李宗仁親自從廣西征調而來，頗有作戰經驗，指揮也得心應手，因此李宗仁將其部署在海州，以防敵人在該處登陸，第三集團軍總司令韓復榘部的十二軍、五十五軍，訓練、裝備以及人員素質較差，李遂讓其駐紮山東境內，五十七軍軍長纓瀲流，轄壹壹壹師和壹壹二師，該部裝備尚可，但戰鬥力不強，李便命其部駐防蘇北，五十壹軍軍長於學忠，轄壹壹三師、壹壹四師，戰鬥力較強，李命其在臨沂方面堵截日軍前進。部署就緒、李宗仁密切註視著敵人的動向。
徐州會戰分兩期，第壹期是津浦路的初期保衛戰，第二期是臺兒莊會戰。
第壹期的津浦路保衛戰是從1937年12月中旬開始的。日軍以津浦路南端為主攻，北段為輔攻，分別南北向徐州推進。
南端敵軍指揮官（火田）俊六大將，於12月中旬，指揮8個師約8萬之眾，先後自鎮江、南京、蕪湖渡江北上。日軍第三師團主力攻陷滁縣後，循津浦路正面北進至盱眙、張八嶺附近；另壹部分攻占揚州後，即進擊邵伯、天長壹線，以掩護鎮江防線，第九師團壹部攻陷裕溪口後，循淮南鐵路北進至巢縣、全椒，企圖直趨蚌埠。日軍以為拿下蚌埠已是易如反掌之事，孰料行至明光以南，即為李宗仁部署的李品仙的第十壹集團軍和於學忠的第五十壹軍，利用淮河、淝河、匯河等地形堵截，雙方血戰月余，不分勝負。敵軍在此停留，竟不能越雷池壹步，這大出（火田）俊六所料，十分惱怒。於是（火田）俊六遂自南京調集援兵及坦克、野戰炮等重武器，傾巢來犯。敵人洶洶而來，李宗仁感到硬拼硬堵要吃虧，待敵援軍聚集明光壹帶時，李宗仁命坐鎮蚌埠的李品仙、封裔忠將三十壹軍於1月18日自明光全線西撤山區，伺機出擊，將津浦路南端正面讓開；將於學忠的五十壹軍南調，布防淮河北岸，憑借險要地形，拒敵越河北進，敵援軍是以餓狼撲食之勢猛撲明光，結果撲了個空，沒有捕捉到李的主力。接著日軍攻下定遠、懷遠等地，但壹無所獲。此時西撤的三十壹軍遵李指示，從敵軍左側向東出擊，將津浦路之敵截成數段，圍而殲之。淮海前線之敵，後路忽彼斬斷，不知兇吉，費九牛二虎之力迅將三十壹軍從津浦線向西壓。李遂命部隊采用敵迸我退、敵退我進的戰術，牢牢地盯住津浦線；此時參加淤滬會戰的二十壹集團軍北調合肥，日軍有後顧之憂不敢隨意北進，壹時津浦路南端戰事，形成敵我雙方膠著對峙局面。
李宗仁在指揮津浦路艱難抵抗北進之敵的同時，又積極阻截華北日軍南下。津浦路保衛戰，原由第五戰區副司令長官兼第三集團軍總司令韓復榘、參謀長封裔忠指揮，豈知駐紮魯境的韓復榘，大敵當前，還為保存實力打小算盤。12月23日，日軍壹部攻陷延安鎮、歸仁鎮後，韓未戰而走，造成了嚴重後果。27日，濟南失守，日軍由博山、萊蕪迂襲泰安。1938年1月1日，泰安落人日軍北方軍第二軍礬谷廉介之手。韓復榘連連喪池失地，致北段津浦路正面大門洞開，使日軍得以沿線長驅直入，給徐州會戰投下陰影。李宗仁有些著急，屢屢嚴電韓奪回泰安，並以此為根據地阻截南下之敵。韓對李的命令置若罔聞，壹錯再錯。為此，韓遭到蔣介石槍斃的處置，由孫桐萱代任其職。
為確保徐州地區的安全，李宗仁命孫桐萱部向運河以西推進，襲取濟寧、汶上的日軍據點，以牽制敵人主力。孫部第二十二師負責攻取濟寧，於二月12日晚由大長溝渡運河，14日晚有壹小部攀登入城，雙方短兵相接，血戰竟日，終因敵我雙方力量懸殊，入城部傷亡極大，17日晚撒至運河西岸。與此同時，第十二軍八十壹師也直取汶上，於12日晚由開河鎮渡運河，壹部由城西北攻入城內，與日軍進行激烈巷戰，終因人少勢弱，損失嚴重，13日奉李宗仁之命撤向運河西岸。19日，日軍攻陷安居鎮，22日突破曹福林第五十五軍陣地。25日，日軍突破杏花村陣地，守軍被迫撤至相裏集、羊山集、巨野壹線。但李宗仁在這壹線布置大量兵力，不斷側擊北段南下之敵，使敵軍在這壹帶徘徊不能南進，暫時穩定了戰局，擺脫了危機。
日軍津浦線主力南攻不成，遂改變策略，由少壯派軍人板垣征四郎、礬谷廉介率兩師團企圖會師臺兒莊。臺兒莊位於津浦路臺棗（莊）文線及臺濰（坊）公路的交叉點上，扼運河的咽喉，是徐州的門戶，在軍事上具有重要地位。日軍壹旦得手臺兒莊，便可策應津浦路南端日軍攻勢，壹舉拿下徐州。板垣、礬谷兩師團，是日軍精銳之師，大部官兵都是參加過“二·二六”日本政變的，此次進攻，來勢相當兇猛，大有泵突狼奔、壹舉圍殲中國軍隊之勢。
3月下旬，日軍以七八萬兵力，在華北方面第二軍司令官西尾壽造指揮下，分兩路向臺兒莊進發。壹路為阪垣第五師團，自1月12日在青島嶺山灣、福島兩處強行登陸後，沿膠濟路西進，至濰縣轉南，經高密，循諸城、榮縣壹線，進逼臨沂；壹路為礬谷的第十師團，該師團沿津浦路南下，直取臺兒莊。
2月，中國軍隊為堵截日軍前進，在臨沂、滕縣同日軍發生了激烈的戰鬥，揭開了臺兒莊會戰的序幕。2月下旬，臨沂告急。該地是魯南軍事上的必爭之重鎮，得失關系全局。處此緊急關頭，李宗仁令守防海州的龐炳勛軍馳往臨沂解救。雖說龐氏統有1個軍，其實兵員不足，只有5個步兵團，但龐氏在部隊中威信極高，指揮靈便，部隊戰鬥力強。剛到臨沂縣城，還未來得及休息，龐部便與日軍展開激熱攻防戰，日軍以1個師團的優勢兵力，配以山炮1團，騎兵1旅，向龐部猛撲，夜以繼日，反復沖殺。臨沂城墻高大而又堅固，野山炮也打不穿，龐部憑借這優勢，據城死守，使敵人不能越雷池壹步，城下敵屍枕藉。龐部的成功據守，是不可壹世的日軍所始料不及的。
李宗仁擔心龐部勢孤不能長守，於9月11日，令五十九軍張自忠部由滕縣增援臨沂。張接到李的命令後，以壹晝夜180裏的速度趕到臨沂。臨沂的龐部見援軍到，雖筋疲力竭，但士氣旺盛。兩軍內外夾攻，如疾風驟雨向阪垣反擊，阪垣從宮縣增兵2000人，以飛機大炮掩護，配合坦克、裝甲車進攻。龐、張兩部咬緊牙根，堅決頂住，與日軍激戰數日，反復肉搏，擊潰阪垣師團壹旅，敵死傷過半。3月17日晚，敵向沂水退卻，龐、張合力窮追壹晝夜，日軍壹退90裏，縮進莒縣城內死守。
在李宗仁的指揮下，臨沂之戰取得了驚天動地的勝利，它砍斷了津浦路北段日軍的左臂，粉碎了日軍會攻臺兒莊的計劃，促成了以後臺兒莊會戰中，李宗仁圍殲孤軍深入合兒莊的磯谷師團的契機。
阪垣敗績累累，礬谷仍然武士道精神十足，不顧壹切，日益向南推進。礬谷比阪垣更兇，李宗仁檄調自鄭州來的鄧錫侯第二十二集團軍的第四十壹軍孫震趕往滕縣，拒敵南下；孫部剛在滕縣部置就緒，3月15日，礬谷師團就發動攻擊。日軍以數十架飛機、30余門大炮狂轟濫炸，守軍師長王銘章督戰死守。李宗仁見滕縣危險，又急令新撥歸第五戰區指揮的第二十軍團司令湯恩伯派部馳援。湯的主力八十壹軍王仲廉部因行程過遠，未能及時趕到，3月17日晚，日軍配合炮火攻陷騰縣，20日攻占郅縣，並沿臺棗支線向臺兒莊陣地突進。
對磯谷軍事行動的後果，李宗仁有著充分的估計；此次臺兒莊壹失，不但前功盡棄，士氣、民氣受到巨大的挫傷，國內恐日病大漲，而且給日後的戰略轉移帶來難以想象的損失。為了確保臺兒莊，他制訂了相應的作戰計劃。李考慮到孫連仲、封少君的第二集團軍最善防守，即令孫派3個師，沿運河布防，扼守臺兒莊正面陣地，李判斷磯谷前次戰役占了上風，驕狂不可壹世，壹定不待蚌埠方面援軍北進，便會直撲臺兒莊，以期壹舉而下徐州，奪取打通津浦路的首功。因此，李便決定設圈套，請其入甕。於是，他命令湯恩伯第二十軍團的2個師讓開津浦路正面，誘敵深入，待礬谷直撲臺兒莊後，再回頭撇敵之背，與孫連仲壹起將敵圍而殲滅之。事態發展正如李宗仁所預料的那樣，敵人從滕縣南下，舍湯恩伯軍不顧，直撲臺兒莊。敵軍總數約有4萬，擁有七八十輛坦克，百余尊山野炮和重炮，重輕機關槍更是不計其數。3月23日，礬谷軍沖到臺兒莊北泥溝車站，徐州城內已炮聲可聞，臺兒莊會戰的戰幕正式拉開。
3月24日，敵軍采用上次攻打滕縣的戰術，先猛烈轟擊孫連仲軍的防禦工事，接著以坦克為前導，向孫部陣地推進。狂風暴雨般的槍炮彈，把臺兒莊外圍陣地工事基本摧毀，敵人步步逼進。日軍的這種淩厲攻勢，孫連仲部在壹無平射炮，二無坦克的條件下，無法反擊。但他們知道，臺兒莊是他們的光榮，也是他們的墳地，因此以血肉之軀與靠近的日軍拼殺，與橫沖直撞的日軍坦克同歸於盡。戰爭中，武器在某種程度上起決定的作用，因此，盡管孫部士兵英勇抵抗，仍被日軍沖入城內。孫部沒有退卻，與城內日軍展開了激烈的巷戰。
此時，擔負臺兒莊中央防線北面作戰的湯恩伯軍團，在峰山、棗莊壹帶同日軍作戰後不久，置臺兒莊危急於不顧，轉移到姑婆山區躲起來。李宗仁嚴令湯軍團迅速南下，協同孫連仲夾擊臺兒莊正面之敵。湯為保存實力，仗著有蔣介石為後臺，置軍令於不顧，在姑婆山遲疑不進。李宗仁深知其人，壹貫自恃是蔣介石的嫡系，驕橫不可壹世，也不敢輕易得罪他，因此三令五申，曉以大義。湯仍不予理睬，這邊戰火熊熊，戰鬥慘烈，那裏卻養兵於山區，無動於衷，李宗仁陷入痛苦之中。軍情危急，李宗仁無可奈何之下，再次發電湯恩伯：“如再不聽命令，殆誤戰機，當以軍法論處，同韓復榘同樣下場。”湯敬酒不吃吃罰酒，李宗仁下了死令，他才同意揮師南下。
然而，此時臺兒莊孫連仲部守軍已傷亡殆盡，全莊四分之三地盤為日軍占據，他們壹面在電臺宣稱已將臺兒莊占領，壹面調集重炮、坦克瘋狂沖擊，企圖壹鼓作氣，完全奪下臺兒莊。孫連仲強烈地意識到，再孤軍死守，將全軍覆亡，因此4月5日直接與李宗仁通電話，要求把部隊暫時撤到運河南岸，讓他的第二集團軍留點“種子”。李宗仁聽得出，孫連仲講這番話時，語調幾乎是哀婉的，他深知孫的處境是何等的艱難，又是何等的悲壯，但李宗仁更清楚，臺兒莊目前的重要性，他估算著湯恩伯軍團第二天中午可趕至臺兒莊北部，因此鼓勵封裔忠說：“敵我在臺兒莊已血戰壹周，勝負之數決定於最後5分鐘。援軍明日中午可到，我本人也將於明晨來臺兒莊督戰，”妳務必守至明天拂曉。”說完，李怕封情緒低下，影響士氣，又下令道：我的命令如若違抗，當軍法從事。孫連仲以前雖和李宗仁只壹面之緣，但聽人說過，李在戰區司令官中，屬較通情的壹位，此時此刻李下這樣的命令，深知臺兒莊對整個戰役至關重要的價值，以及李宗仁對此次戰役勝利的信心。於是孫態度堅決地表示：“我絕對順從命令，整個集團軍打完為止。”孫連仲的態度，使焦急萬分的李宗仁感到有些安慰，但他總有些不盡放心，於是又指示孫連仲，“今夜妳還須向敵夜襲，以打破敵軍明晨拂曉攻擊的計劃，則湯軍團明日中午到達後，我們便可對敵人實行內外夾擊。”孫表示部隊已用完，夜襲不容易。李聽後立即指示：“我現在懸賞10萬元，妳將後方凡可拿槍的士兵、擔架兵、炊事兵與前線士兵壹起集合起來，組織壹支敢死隊，實行夜襲。這10萬塊錢將來按人平分。”孫連仲將李宗仁的命令傳達後，數百人壹支的敢死隊很快成立起來。4月5日午夜，敢死隊分組向敵出襲，沖擊敵陣。他們個個精神異常振奮。各自為戰，已是血戰經旬的敵軍，也筋疲力竭，深夜正墮入夢鄉，聽到不知從哪來的槍聲，頓時亂作壹團，壹面倉皇應戰，壹面後退。經數日血戰為敵所占的臺兒莊各街，競在短短不到壹小時內，壹舉奪回四分之三。此時，李宗仁不但得報封裔忠夜襲成功的喜訊，又得湯恩伯部翌日天明前可趕到臺兒莊的消息，高興極了，他立即率隨員，連夜親自趕到臺兒莊郊外，準備親自指揮對礬谷師團的殲滅戰。
磯谷師團的厄運終於降臨了。6日黎明之後，臺兒莊北面，槍炮聲漸密，湯恩伯軍團已向敵人開火。礬谷知已陷入重圍，開始動搖，下令部隊全線撤退。4月6日晚，李宗仁親自指揮臺兒莊守軍全線出擊。壹直防守遭攻的孫連仲部，聽說反擊，神情振發，命令壹下，殺聲震天。此時敵軍已成強弩之未，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，礬谷本人率殘部拼命突圍。至此臺兒莊戰役勝利了。臺兒莊會戰，擊潰日軍第五、第十兩個精銳師團的主力，殲滅日軍2萬余人，繳獲大批武器、彈藥，嚴重地挫傷了日軍的氣焰，振奮了全民族的抗戰精神，堅定了國人抗戰勝利的信念