徐州一线的战事随着日军于1月4日占领兖州、曲阜，6日占领邹县，11日攻占济宁之后，进一步的往扩大方向发展。中日双方越来越倾向于在苏鲁皖交界地区展开新一轮的会战。
时，济宁方向的日军第2军所属矶谷廉介第10师团以步兵第8旅团下辖的沼田多稼藏大佐所指挥步兵第39联队控制于南关一线，汶上方向控制以该联队所属步兵第3大队。而第10师团司令部及长濑武平少将指挥的步兵第8旅团主力部署于兖州。
第3集团军在展开攻击的时候，按照代理总司令-孙桐萱在月10日下达的命令，第55军由金乡向控制于济宁南关的日军步兵第39联队发起进攻，第12军所属第22师由定陶经巨野、嘉祥迂回至济宁以北的二十里铺附近，进攻济宁北门，协同第55军克复济宁城。第81军则是向汶上的日军步兵第39联队第3大队发起进攻。
规定的时间是2月12日拂晓前到达进攻出发地位，12日开始进攻。然而第55军在曹福林军长的指挥下，派出一部兵力进至济宁西南的安居镇附近运河西岸之后，并未以主力实施进攻，仅是以所属第171团、第439团各一部渡过运河，对济宁火车站、西关等要地进行袭扰。这小股的进攻迅速便为日军所击退。
第12军所属第22师在师长谷良民指挥下。到达嘉祥以东地运河西岸后，立即以所属第64旅为主攻力量，渡河向前推进。而第66旅为预备队，随同师部控制于运河西岸。
第64旅由大长沟方向通过运河之后，于12日拂晓前到达进攻出发地位；该旅旅部推进至兴文镇之后。立即以第127团控制于二十里铺。对汶上日军进行警戒，掩护主力进攻；第128团、第129团则配置于济宁北关两侧。预定天明后，以奋勇队员乔装成百姓潜入济宁城内，然后发起进攻，里应外合。控制城门。打开突破。
然而由于日军对**的作战意图已有觉察。12日当天紧逼东、西、北三座城门，仅以南门供出入。无奈之下，第64旅-时同然旅长只得命令部署北关的第128团、第129团变更作战计划。断然攀城强攻。当天夜间22时左右，第128团、129团开始用长梯攀城进攻。然而在日军火力之下，两团官兵伤亡甚众……）
屡屡不能得手之际，济宁城西北处的城角被炸坍一段城墙，形成一个突破口。趁得此机，**果断形成攻击，9个连的中国士兵从这个缺口杀入。日军步兵第39联队长-沼田多稼藏大佐立即调整部署，以南关地联队主力回援城中，同时首先发起以逆袭，堵住城西北角地缺口，切断城内外的中**队的联系，然后向突入城中的中国部队发起围攻。
一场惨烈的巷战由此在北大街及城西北隅地关帝庙一带展开，双方逐屋争夺，杀声连连。突入地中国部队顿成孤军之势，虽英勇奋战，但由于得不到补充和支援，在血战一日夜之后，至14日拂晓，突入城内地9个连的中国官兵全部壮烈殉国。
由于攻击作战失利，城北的第64旅残部，于13日23时接到第3集团军代理总司令-孙桐萱地命令，向运河西岸撤退的命令。在日军地尾随追击下，第64旅由第66旅接应，以民船渡过运河，撤至西岸。一场恶仗下来，掩护撤退的后卫营包括营长在内，几乎阵亡大半；负责接应的第6旅旅长-薛明亮亦中弹负伤。
12日当夜，第81师亦对汶上发起进攻，虽一度攻入北关，但由于在日军猛烈下，伤亡甚众。加之济宁方面的第64旅已撤回运河西岸，故而第81师也放弃作战，后撤至开河镇附近，沿运河部署防线。至此，反攻济宁的作战宣告破灭。
就在孙桐萱第3集团军向济宁、汶上发起进攻的同时，于1月上旬由陇海路的商丘、砀山地区转移至滕县、临城地区的第22集团军也向邹县一线的日军发起了进攻。
在接到向邹县之日军进攻的命令后，第22集团军总司令-孙震立即令第125师-第737旅由界河进攻两下店，同时令第127旅第575团挺进至邹县、曲阜间，在日军后方进行游击袭扰作战。2月14日，第737旅以第746团担任主攻，以第745团进行掩护。当夜，第746团以第3营对两下店实施夜袭，但两次进攻，均被日军击退。
战斗至16日下午，第746团又以第1、第2营实施强攻。经激烈战斗，遂于傍晚取得些许进展，但由于在日军猛烈的火力下伤亡过半，不得不被迫于拂晓前突围，退至郭山。
2月17日下午，两下店方向的日军开始进行反击，在一夜激战之后，第737旅于18日退至香城、普阳山一线。
而奉命实施敌后游击作战的第127旅-第575团于2月11日进至曲阜以南的九龙山一带后，在1日，于邹县至曲阜公路两侧的小雪村附近实施游击作战。次日日，由曲阜、邹一线县展开对进合击的日军步步逼近而来，第575团只得东撤至田黄镇，尔后返回滕县。
庞炳勋第3军团于2月上旬从海州调至临沂之后，日军板垣征四郎第5师团已经攻占蒙阴、沂水，而在攻占潍县之后，第5师团又会同日本海军，在青岛实施登陆，进而占领青岛。第3军团未能实施进攻。就不得不就地构筑工事，向蒙阴、沂水、诸城方向实施警戒。
按照第2军司令官-西尾寿造中将地意图，2月17日，第2军参谋长铃木率道少将，指示第10师团师团长-矶谷廉介中将。当以贵师团所属步兵第8旅团旅团长-长濑武平少将指挥以步兵4个大队、山炮兵1个中队为基干编组成的长濑支队。于20日开始向运河防线的中**队发起进攻。展开鲁南攻略作战。
从1月下旬开始，日军全面开始了鲁南作战，25日，在经过五天的进攻之后，日军突破运河防线。26日攻占嘉祥。第3集团军在逐次抗击后。撤至巨野、独山镇、大义集、孟家屯、相里集一线重新建立防守。
2月21日。日军第5师团依照第2军参谋长铃木率道少将于17日下达的关于以1个支队配合第10师团地作战、向沂州方面前进地指示，派遣三浦敏事少将的步兵第21旅团所属步兵第21联队长-片野定见大佐指挥步兵一个半大队、山炮兵一个中队为基干组成片野支队，由潍县出发。南下进攻莒县。
防御莒县的刘震东第1游击队、沈鸿烈之海军陆战队由于力量不足，无法形成有效抵抗。第5战区司令部遂电令第3军团派队支援。庞炳勋所派之援军-第115旅于2月26日到达莒县附近的时候。莒县已于三天之前失守，第1游击队司令-刘震东殉国，沈鸿烈之海军陆战队退往高里附近。而日军则以片野支队转入步兵第21旅团长-坂本顺少将的指挥下，并增加为步兵第1联队(欠1个大队)，步兵第21联队（缺一部），步兵第42联队地1个大队，野炮兵第5联队（两个大队），山炮兵1个中队，共同组成坂本支队，西进进攻临沂。
从27日开始，日军坂本支队向第115旅发起进攻。经两日战斗，第115旅虽于29日下午后撤，日军则尾随第115旅追击作战，于3月5日攻占汤头。
鉴于一连地胜利，日本陆军方面地声音逐次的在主战态度上占有优势，华北方面军司令官-寺内寿一大将更是直接表达了其对大本营的谨慎实施作战地意图和大扩大方针的不满，寺内大将地“为使华北、华中联接起来，而应该断然进行徐州作战”的主张，越来越是受到在华日军将领们的吹捧。华北方面军第1课长-下山大佐直接向参谋本部第1部第2课长-河边大佐发去了电文，积极表示了方面军司令部支持第2军继续南下作战的企图。
虽然大本营方面一直表示没有计划改变原先的不扩大方针，但随着3月1日，参谋本部内的人事变动，一贯主张慎重的河边虎四郎大佐被免去负责作战指导的作战课课长职务，由陆军省军事课高级课员稻田正纯中佐继任其职。
稻田正纯就职之后，迅速批准了第2军的作战计划和增兵要求。3月8日，第2军司令官西尾寿造中将派遣军参谋鹈泽中佐向第10师团长-矶谷廉介中将传达了司令官的希望(军司令官的希望并非正式命令)：“应占领滕县附近及确保大平邑”。
当天，第10师团长下达师团命令，命令濑谷支队立即南下作战。同一天，华中派遣军参谋长-河边正三少将致电大本营，提出申请“第10师团前面之李宗仁军逐渐增加，第13师团（蚌埠）前面之敌，看来也不是向日军出击而正向北面增加，派遣军有必要策应华北方面军。因考虑攻占徐州，作战后仍返回原位置。”
3月13日华北方面的第2军司令部下达了正式命令，命第10师团击灭大运河以北之敌，第5师团以一部占领沂州(临沂)后，进入峄县附近，配合第10师团作战，在达到上述目的后，大致在滕县、沂州一线为以后作战作好准备”。
这样一来，不仅仅等于日本大本营的不扩大方针的土崩瓦解，更是随着第2军的进攻行动开始，而直接导致了滕县及临沂的战斗，从而揭开了台儿庄作战的序幕。
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