1937年7月7日，日本帝国主义在河北宛平卢沟桥对首先对中*队发动了攻击，打响起了全面侵国战争。7月30日，平、津失陷，日军又以40万兵力，分四路全面举兵南侵，一路由平绥路、同蒲路进攻山西；一路由平汉路进攻河南；一路由津浦路、胶济路进攻山东；一路沿平绥路进攻绥远，同时在华东挑起战端，进攻上海；11月，上海也陷入日军之手。上海是南京的内门户，上海被占，南京国民政府所在地完全*在日军的枪口下。11月底，日军兵临南京城下，12月1日正式发起进攻。12月13日，日军攻陷南京并制造了惨绝人寰的“南京大*”。日军占领南京后，为沟通南北战场，打通津浦路，会师武汉，把徐州作为他们攻取的首要目标。
徐州是一个重要城市，它位于黄淮两水间，地据鲁、豫、皖、苏四省之要冲，是津浦、陇海两铁路之枢纽；徐州四周山峦重迭，河川纵横，在我国历史上历来是兵家必争之地。国民政府决心全力防守徐州，在此进行一次会战。这次会战以徐州为中心，史称徐州会战。1937年10月，李宗仁被任命为第五战区司令长官，在徐州指挥作战。
11月初，李宗仁奔赴徐州前线。投入这次会战的中*队有数十万人。李宗仁调兵遣将，作了细致部署。徐州会战分两期，第一期是津浦路的初期保卫战，第二期是台儿庄会战。
第一期的津浦路保卫战是从1937年12月中旬开始的。日军以津浦路南端为主攻，北段为辅攻，分别南北向徐州推进。南端敌军指挥官火田俊六，指挥8个师约8万多军队，从镇江、南京、芜湖渡江北上。日本侵略者一路北上，直奔蚌埠。日军以为拿下蚌埠易如反掌，谁知在明光以南一带，受到了国民政府第十一集团军和第五十一军的顽强堵截，双方血战月余，不分胜负。敌军在此停留，竟不能越雷池一步，一时津浦路南端战事，形成敌我双方胶着对峙局面。
李宗仁在指挥津浦路艰难抵抗北进之敌的同时，又积极阻截华北日军南下。指挥北路军队的中国将领韩复榘是个大草包，连连丧池失地，致北段津浦路正面大门洞开，使日军得以沿线长驱直入，给徐州会战投下阴影。为此，韩复榘遭到枪毙的处置。李宗仁为确保徐州地区的安全，又组织军队袭击北路日军，使日本侵略军不能南进。
日军津浦线主力南攻不成，遂改变策略，由少壮派军人板垣征四郎、矾谷廉介率两师团企图会师台儿庄。台儿庄位于津浦路台枣（庄）文线及台潍（坊）公路的交叉点上，扼运河的咽喉，是徐州的门户，在军事上具有重要地位。日军一旦得手台儿庄，便可策应津浦路南端日军攻势，一举拿下徐州。板垣、矾谷两师团，是日军精锐之师，来势相当凶猛。1938年3月下旬，日军以七八万兵力，在华北方面第二军司令官西尾寿造指挥下，分两路向台儿庄进发。2月，中*队为堵截日军前进，在临沂、滕县同日军发生了激烈的战斗，揭开了台儿庄会战的序幕。2月下旬，中国将领庞炳勋所属一个军的部队在山东临沂阻击日军。临沂城墙高大而又坚固，野山炮也打不穿，凭借这优势，中*队据城死守，使敌人不能越雷池一步，城下敌尸枕藉。9月11日，张自忠将军的五十九军由滕县增援临沂。与庞炳勋得守军内外夹攻，击溃坂垣师团一旅。3月17日，日军向沂水退却，庞、张合力穷追一昼夜，日军一退90里，缩进莒县城内死守。
在李宗仁的指挥下，临沂之战取得了惊天动地的胜利，它砍断了津浦路北段日军的左臂，粉碎了日军会攻台儿庄的计划。
但是另外一路矾谷廉介的日军部队还是一路挺进。李宗仁决定设圈套，请其入瓮。于是，他命令汤恩伯第二十军团的2个师让开津浦路正面，诱敌深入，待矾谷直扑台儿庄后，再回头从后面包围，与孙连仲一起将敌军围而歼之。事态发展正如李宗仁所预料的那样，敌人从滕县南下，舍汤恩伯军不顾，直扑台儿庄。敌军总数约有4万，拥有七八十辆坦克，百余尊山野炮和重炮，重轻机关枪更是不计其数。3月23日，矾谷军冲到台儿庄北泥沟车站，台儿庄会战的战幕正式拉开。
3月24日，敌军以坦克开路，向孙连仲部队阵地推进。面对日军凌厉的攻势，孙连仲部队虽然在一无平射炮，二无坦克，但他们知道，台儿庄是他们的光荣，也是他们的坟地，因此用血肉之躯与靠近的日军拼杀，与横冲直撞的日军坦克同归于尽。但是日军的武器精良，尽管孙部士兵英勇抵抗，仍被日军冲入城内。孙部没有退却，与城内日军展开了激烈的巷战。此时，担负台儿庄北面作战的汤恩伯军团接到李宗仁的死令，命令他们南下助战。此时的台儿庄孙连仲守军已伤亡殆尽，全城四分之三地盘为日军占据，李宗仁命令孙连仲把剩下的部队组成敢死军，夜袭侵略者，以打破敌军明晨拂晓攻击的计划，孙连仲组织了一只数百人的敢死队。4月5日午夜，敢死队分组向敌出袭，冲击敌阵。他们个个精神异常振奋、各自为战，已是血战近十天的敌军正筋疲力竭地堕入梦乡呢，一听见枪声，顿时乱作一团，一面仓皇应战，一面后退。经数日血战为敌所占的台儿庄各街，竟在短短不到一小时内，一举夺回四分之三。此时，李宗仁不但得报孙连仲夜袭成功的喜讯，又得汤恩伯部天明前可赶到台儿庄的消息，高兴极了，他立即连夜亲自赶到台儿庄郊外，准备亲自指挥对矾谷师团的歼灭战。
矶谷师团的厄运终于降临了。6日黎明之后，台儿庄北面，枪炮声渐密，汤恩伯军团已向敌人开火。矾谷知已陷入重围，开始动摇，下令部队全线撤退。4月6日晚，李宗仁亲自指挥台儿庄守军全线出击。一直防守遭攻的孙连仲部，听说反击，神情振发，命令一下，杀声震天。此时敌军已成强弩之未，弹药汽油也用完，机动车多被击毁，全军丧魂落魄，狼狈逃窜。李宗仁命令部队猛追，敌兵遗尸遍野，各种辎重到处皆是，矾谷本人率残部拼命突围。至此台儿庄战役胜利了。
台儿庄战役是中*队取得的一次重大胜利。台儿庄会战，击溃日军第五、第十两个精锐师团的主力，歼灭日军2万余人，缴获大批武器、弹药，严重地挫伤了日军的气焰，振奋了全民族的抗战精神，坚定了国人抗战胜利的信念。在历时半个月的激战中，中*队付出了巨大牺牲，参战部队4.6万人，伤亡失踪7500人。