釉诘�25师围攻其先遣中队时曾派出数百人进攻郭里集，企图救援，被第25师击退。第52军的第2师从鹁鸽窝向枣庄进攻，但被击退。汤恩伯率第85军主力仍在抱犊崮山区按兵不动，仅令派出1个旅与第52军协同作战，而该旅仅派出1个团、该团又仅派出几个排的兵力在枣庄外围进行了袭扰性攻击，然后又退回抱犊崮山区中。
位于枣庄附近的濑谷启于24日夜收到了“台儿庄派遣队”的请援电报。由于枣庄、郭里集方面受到第52军的攻击，濑谷支队只能抽调约2个步兵中队的兵力，配属2门重炮南下增援，支队主力准备“与郭里集附近之敌进行决战”，令第10联队从临城向枣庄以南运动。增援台儿庄派遣队的2个中队于黄昏前后到达台儿庄，立即遭到第31师的反击。“台儿庄派遣队”队长因两日来伤亡过多，而增援的仅2个中队，仍难完成攻占台儿庄的任务，26日凌晨又向濑谷启发出第二次请援电报：“战死20，战伤112，突入城内生死不明者15。”濑谷启在收到此电不久，又收到第10师团师团长矶谷廉介令其“采取果敢之攻势”的电令，当即决定由第63联队福荣真平大佐率仅有的第3大队赶赴台儿庄指挥攻坚。
3月27日，“台儿庄派遣队”得知第63联队已南下增援后，不俟援兵到达，即向台儿庄发起第二次猛烈的攻击，占领了城墙的东北角，一部突入城内。第31师的第186团立即组织反击，双方展开激烈的巷战，终将突入的日军压迫于城内的大庙附近。但第31师损失也大，4天的激战，伤亡约2800人。为利于以后的战斗，池峰城将全师缩编为3个团7个战斗营。这时，第2集团军的第27师已部署于台儿庄以东的黄林庄一带，第30师及独立44旅已部署于台儿庄以西的顿庄闸、万里闸一带，不断与第31师协同，向刘家湖、三里庄等地实施反击。当晚17时30分，福荣真平率第63联队直属队及第3大队到达刘家湖地区。台儿庄形势更趋严峻。
由于台儿庄战情紧急，而第20军团主力仍在枣庄东北山区，并未向枣、峄日军实施与其实力相适应的进攻。
因此第二战区一面向第2集团军总司令孙连仲下达限期歼敌的命令，一面向第20军团汤恩伯下达转用兵力于台儿庄的命令。给孙连仲的电令是：“查台儿庄为徐州前方要地，又为汤军团后方联络要道，关系重要。据报该处附近敌人约一混成联队，我军兵力数倍于敌，早当解决，乃经几日战斗，台儿庄围子反被敌冲入一部，殊深诧异。着贵司令负责严督所部，限于29日前将该敌肃清，勿得延缓致误戎机为要。”给汤恩伯的电令是：“该军团放弃攻击峄县、枣庄之计划，速以一部监视当面之敌，以主力向南转进，先歼灭台儿庄之敌。”此时，孙连仲因汤恩伯、关麟徵等曾有过台儿庄一旦受到攻击，“一日内定可回援”及“坚持三日即算完成任务”等的许诺，因而直接向汤恩伯发出了求援电。大意为：连日受敌猛攻，第31师伤亡惨重，盼以全力攻击敌之侧背，支援台儿庄战斗。汤恩伯当即令：
“第52军应于本晚星夜由傅山、青山一带向南下之敌夹击，并与孙集团军切取联系；第85军应以一部占领云谷山、黄山、马山、神山一带，牵制齐村、枣庄、郭里集一带之敌，主力本晚集结神山、向水泉、猪山一带待命。”
3月28日，福荣真平的第63联队集中兵力，在1个野炮大队、2个野战重炮大队、1个150毫米榴弹炮小队以及30余辆战车掩护下，与昨日突入台儿庄中的第2大队协同，对台儿庄发动了第三次猛攻。第2集团军除以第31师据守台儿庄阵地顽强抗击外，还令第27师、第30师及独立第44旅从东、西向敌人侧翼及后方进行反击。特别是中国空军，在台儿庄战场上首次以9架战斗机直接支援地面部队战斗，对广大官兵的抗战士气鼓舞很大。因而日军仅在炮火准备后刚开始进攻时占领了台儿庄的西北一角，尔后再无进展。但突入城中的日军乘机扩张战果。第31师将所有能够战斗的勤杂人员全部组织起来投入战斗。双方展开激烈的肉搏拉锯战，隔墙相击，逐屋争夺，阵地形成犬牙交错状态。
3月29日，日军第2军司令官西尾寿造见第63联队攻击受阻，而中国军队第20军团又正向南进，第63联队有被围歼的危险，遂令第5师团的坂本支队暂时中止进攻临沂，急向台儿庄方面增援；同时令第10师团濑谷支队主力增加到台儿庄前线。
第五战区见台儿庄形势危急，而第20军团尚迟迟未到，因此在28日夜电令汤军团“迅速南下夹击”。29日夜下达正式命令，赋予汤军团的任务为：
“甲、王军明30日应对峄县之敌佯攻，牵制该敌之南下，但应保持由东向西之原方向。乙、关军明30日应速向泥沟、北洛前进，到达该地后以一部向南洛，协助孙集团军解决台儿庄附近之敌，以主力极力破坏铁路、公路遮断峄县与台儿庄之连络，并与王军协同阻止峄县南下之敌。但王军应保持由东向西之原方向。丙、汤军团长应速向孙总司令密取连络。”
3月30日晨，日军濑谷启率其第10联队及战车部队从峄县南下，当晚21时左右，先头部队到达台儿庄以西6公里之范口村，主力集结于獐山东侧各村中。第五战区发现濑谷支队已经南下，而孙连仲报称与第20军团“尚未取得联络”，当晚20时再次电令汤恩伯：“敌主力似南下……着贵军团长以一部监视峄县，亲率主力前进，协同孙军肃清台儿庄方面之敌，限31日拂晓前到达，勿得延误为要。”
台儿庄内日军得知濑谷支队主力南援的情况后，在航空兵及庄外日军的大力支援下，全力向外扩张，当晚推进至庄南头运河北岸。孙连仲派第30师的第176团入庄增援，与第31师部队据守西半部阵地，拼死抗击，遏止了日军的扩张势头。
3月31日，日军濑谷支队仍与第2集团军部队激战于台儿庄内外，没有进展。第10师团师团长矶谷廉介又调该师驻济宁的第39联队第1大队，配属给第10联队，以加强濑谷支队的进攻能力。由于坂本支队主力转向台儿庄，临沂形势缓和，第五战区得到庞炳勋、张自忠“当面之敌已被击退”的报告后，下令将原准备调到临沂方面的第59军第139师“转移至台儿庄方面为预备队”，以稳定台儿庄方面的战局。
第20军团的先头部队于30日夜到达甘露附近，31日开始向獐山以东的日军进攻，占领了兰城店、三佛楼等地。中午前后，在向城以东担任军团侧背警戒的骑兵团与由临沂西进的日军坂本支队先头部队发生战斗。第85军的第89师前往应援，在邰家庄附近被该支队主力击退。汤恩伯急调第4师至向城、爱曲地区组织阻击。根据当时情况，汤恩伯认为有被日军东西夹击的危险，为摆脱腹背受敌的不利境地，以“避免与敌胶着，且戒冒险决战”的理由，决心“转用兵力”，把所有兵力“一律由内线转移为外线”，竟放弃对獐山东侧日军的进攻，“乘夜与敌脱离”，在第4师掩护下，撤至洪山镇以东的鲁坊、南桥地区。
4月1日，日军坂本支队与由鲁坊进至兰陵阻击的第20军团第52军在兰陵镇以北地区展开激战。当晚，坂本顺约留1个中队的步兵及1个骑兵队于向城、兰陵镇间地区，掩护其后方联络，主力向台儿庄以东的岔河镇方向前进。第五战区急令第139师至岔河镇占领阵地，归第20军团指挥，准备抗击该敌。汤恩伯率指挥所于当日进至四户。
孙连仲为歼灭台儿庄内之敌，决定由城外向日军占领的街区实施夜袭，以收出敌不意、攻其不备之效。当日16时下达了作战命令。主要内容为：令第27师挑选奋勇队250人，继以得力步兵1营跟随冲进台儿庄城内集结最优秀的兵力，在第27师开始攻城时向三里庄发动袭击；集团军炮兵队集中火力向刘家湖射击，以牵制敌人；台儿庄的第31师配合第27师部队向占领了城西北角之敌发动进攻。当日夜半前后，第27师奋勇队及第157团第2营从台儿庄东北角突入城中，攻占了东北隅及东南门，但终为敌所阻，遂占领部分街区，与敌巷战。31日，在第27师第157团第2营进攻的同时，第30师第175团亦以第3营向占领西北角的日军发起进攻，经激烈肉搏后，终将敌人击退，并歼灭其一部。
4月2日，由于第20军团昨日放弃对獐山以东日军的进攻，日军第10联队乘机南下，进至台儿庄以东地区，于10时30分开始向第27师彭村、上村、陶沟桥等处阵地进攻。激战至19时，第27师后撤至连庄、丁家窑、火石埠之线继续抗击。日军坂本支队当日亦进至陈瓦房、耿庄地区，与第10联队取得联系。其留置后方担任掩护的部队被第52军包围，刘庄第25师的第145团将其位于刘庄的一部歼灭。
由于日军第10联队及坂本支队均向台儿庄以东地区前进，第五战区急将刚刚调至碾庄、八义集一带的第75军及其第6师、第13师转至岔河镇地区，令由临沂方面调来的第57军第111师的第333旅进至鲁坊地区，均归第20军团军团长汤恩伯指挥，决心集中兵力将已进至台儿庄附近的日军围歼于邹、台地区。2日20时，第五战区向各单位下达了作战命令。
敌第10师团及第5师团之一旅，自经临沂、台儿庄诸战斗后，伤亡极大，现参加决战之兵力，至多不过5个联队，附山野炮50至60门，重炮10门，战车数十辆，其一部约1000人，在洪山镇北方秋湖附近被我军第20军团包围，其主力向台儿庄东侧陈瓦房、凤凰桥一带运动，续向第2集团军右翼迂回攻击中。济南、大汶口、济宁、滕县间为第10师团之另一旅团分段守备中。
日开始全线总攻击，保持重点于第20军团之右翼，将敌包围于台儿庄北侧地区而歼灭之。
各兵团任务如下：
甲、第20军团以一部消灭洪山镇北方之敌，以主力于3日保持东南正面，向台儿庄附近之敌左侧背攻击，逐次向左迂回，务在台儿庄左侧地区将敌捕捉歼灭之。攻击开始时间，由该军团自定。因战况之进展，须随时遮断敌自峄县之退路，并对向城方面增援之敌严密警戒。
乙、第2集团军右翼与第20军团联系，于3日全线攻击，消灭台儿庄之敌；第110师准备以1旅由万里闸附近渡河，向北洛村附近敌之右侧佯攻。
丙、第3集团军前敌总司令曹福林指挥张测民支队5个团及游击总指挥李明扬所部，为堵击兵团，迅速南下向枣庄、临城合围。
军团区分：
右翼兵团
第20军团长汤恩伯，第52军，第85军，第75军，第57军之333旅，第13师，骑兵第9师，炮兵第4团。
左翼兵团
第2集团军总司令孙连仲，第2集团军第119师，炮兵第10团2个连，战车防御3个连，重迫击炮2个连。
第110师河防由第22集团军部队接替。
日军第10联队在4月2日的《战斗详报》中说：“对中国军队第27师第80旅昨日以来的战斗加以检讨，无愧于蒋介石对他们的极大信任。他们据守散兵壕，全部顽强抵抗直至最后。他们在狭窄的散兵壕内，重叠相枕，力战而死之状，虽为敌人，观其壮烈之态，亦为之感叹。战斗中曾使翻译劝其投降，但无一人应者。战至尸山血海的精神，并非独为我军所特有。无视他人，自我陶醉，为我军计，对此应有所慎戒。本日作战，我军伤亡将校以下66名，敌遗尸约250具。”
4月3日，台儿庄内日军得知其第10联队及坂本支队均已增援至台儿庄以东地区，为配合作战，加强了在庄内的攻势，由东部街区向南部及西部街区猛攻，但遭到第31师的坚强抗击，除又夺占了东南门外，没有进展。第10联队继续向第27师阵地攻击，但亦遭到顽强的抗击。经一日苦战，日军占领了黄林庄附近第26师的部分主阵地，第27师退至石拉一线继续抗击。战斗于第10联队以东的坂本支队4月3日正在火石埠一带与第75军激战中。
第2集团军的3个师全天均在日军猛攻之下，竭力防守，但无力按战区的命令转为进攻。第110师派豫东红枪会组成的武术队于当夜潜渡运河，以大刀、梭镖袭击了韩庄车站，一度攻入站内；该师第328旅潜入河北的突击队亦对邹县之敌进行袭扰。第20军团的第75军一部正与日军坂本支队激战；第52军已消灭了坂本支队的掩护分队，正向底阁、杨楼一线前进，做进攻濑谷支队左侧背的准备。
4月4日，濑谷启发现中国军队有向其翼侧及后方包围的迹象，急令第10联队主力向支队部所在地杨庙靠拢，连夜北返至距台儿庄约4公里的