在得到台儿庄派遣队所发来的新的一纸告急电文之后，濑谷支队再次接到了来自第10师团部的指令，该电令是师团长-矶谷廉介中将所下达的“采取果敢之攻势”的命令。当即濑谷启少将决定由步兵第63联队-福荣真平大佐率仅有的第3大队赶赴台儿庄。
3月28日，开始福荣大佐集中所掌握的步兵第63联队第3大队全部力量，在野战炮兵第10联队1个大队、野战重炮兵第2联队的两个大队、中国驻屯炮兵联队第3大队的1个中队的150毫米榴弹炮的炮火准备下，以30余辆战车掩护，协同之前突入台儿庄中的步兵第63联队第2大队，对台儿庄发动了第三次猛攻。
而防御台儿庄的第2集团军除以第31师据守台儿庄阵地，做顽强抗击外，还令第27师、第3师及独立第44旅从东、西向敌人侧翼及后方进行反击。淞沪、南京作战后损失惨重的中国空军，也在台儿庄战场上以9架战机直接支援地面部队战斗。
不过虽然日军仅在炮火掩护的下占领了台儿庄的西北一角，尔后再无进展，但突入城中的日军却乘机扩张了不少战果。以至于守军第31师在将所有能够战斗的勤杂人员全部组织起来投入战斗后，靠着惨烈的拉锯战，逐屋争夺，方才使得阵地稳定在犬牙交错地状态。
日军第2军司令官-西尾寿造见步兵第63联队攻击受阻。而中**队第20军团又正向南进，步兵第63联队随时都有被围歼的危险，遂在3月29日下令第5师团坂本支队暂停进攻临沂，急向台儿庄方面增援；同时令濑谷支队全力增援台儿庄前线。
至3月30日晨，由濑谷启少将亲率的支队主力并步兵第10联队（约1个半大队的兵力）及配属战车部队已经从峄县南下。当晚21时左右。濑谷支队先头部队已经到达距离台儿庄以西不过6公里的范口村，其支队主力则集结于獐山东侧各村中。
在发现濑谷支队已经南下，而第2集团军孙连仲部依然没有能够和汤恩伯第20军团取得联系地情况下，当夜20点，第5战区长官司令部再次电令汤恩伯：“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。”
而台儿庄内地日军台儿庄派遣队在得知濑谷支队主力南下支援的情况后。立即在飞机及庄外的福荣部队的支援下，全力发起进攻。并迅速推进至庄南的运河北岸。
见此危机，孙连仲脸面派第30师-第176团入庄增援，与第31师部队据守庄西阵地，做拼死之抵抗，方才遏止了日军地进攻。3月31日，濑谷支队与第2集团军部队激战于台儿庄内外终日，但毫无没进展。第10师团长矶谷廉介遂增调该师团驻济宁步兵第39联队第1大队，配属步兵第10联队，以加强濑谷支队地进攻能力。
而此时由于坂本支队主力转向台儿庄，临沂形势缓和，第5战区长官司令部立即下令将原准备调到临沂方面地第59军第139师增援为台儿庄方面预备队。
汤恩伯第20军团的先头部队于30日夜到达甘露附近后，31日开始向獐山以东的日军进攻，并于中午前后，与由临沂西进地日军坂本支队先头部队发生战斗。第85军-第89师前在邰家庄附近被坂本支队击退。汤恩伯遂急调第4师至向城、爱曲地区阻击作战。
4月1日，日军坂本支队与第20军团第52军在兰陵镇以北地区展开激战。当晚，坂本支队除留1个步兵中队及1个骑兵队在向城、兰陵地区外，其主力向台儿庄以东的岔河镇方向前进……）第5战区长官司令部当即急令作为预备队地第59军第139师前进至岔河镇占领阵地，归第20军团指挥。当夜，孙连仲第2集团军组织奋勇队，向台儿庄内日军展开反击。
次日，濑谷支队下属之步兵第10联队至台儿庄以东地区，突破第27师彭村、上村、陶沟桥等处阵地，于推进到陈瓦房、耿庄地区的的版本支队汇合。
由于日军濑谷支队、坂本支队均向台儿庄以东地区前进，第5战区司令长官-李宗仁只得急将刚刚调至碾庄、八义集一带的第75军进至岔河镇地区，令由临沂方面调来的第57军第111师-第333旅进至鲁坊地区，以上部队均归第20军团长汤恩伯指挥，以集中兵力将已进至台儿庄附近的日军围歼。
当日晚间20时，第5战区长官司令部向各单部队下达了作战命令。而此时的台儿庄内则是激战连连，庄内庄外、散兵壕内，尸体重叠相枕，到处是为血海尸山之景。
得知其步兵第10联队、坂本支队均已增援至台儿庄以东之时，日军台儿庄特遣队遂再次发起进攻，不过和之前的作战一样，在第31师的抗击下，日军除重新夺占了东南门外，再无进展，而第10联队则在石拉一线陷于苦战、坂本支队也在整个4月日一天与第75军在火石埠一带全面激战……）而此时，第52军已消灭了坂本支队的掩护分队，正向杨楼一线前进，准备进攻濑谷支队左侧背。
发现中**队有向其翼侧、后方包围的迹象后，濑谷支队长只得急令步兵第10联队除留1个中队的兵力置于黄林庄地区。与台儿庄内第63联队第2大队相呼应之外，其他部队立即向支队司令部靠拢，连夜北返，并在距台儿庄约4公里地鱼鳞集结。
而4月4日这一天，坂本支队进攻也颓然受挫。其部被第7军、第85军包围于火石埠一线。
最高统帅部得到临城、枣庄一带的日军均南下增援的情报后。立即命令第3集团军前敌总司令-曹福林必须在4月5日推进到临、枣地区，以切断日军的前后联系、合围台儿庄附近日军于峄县以南地区。
当天，中国空军派飞机27架，分两批轰炸了濑谷支队和坂本支队。而由于处于在第75军、第85军的围攻下，加上与后方地联系已完全被第20军切断。弹药、粮秣等补给均无法从临沂方面地第5师团获得。坂本支队不得已只能转向于第10师团濑谷支队方面获得补给。显然其部队已然陷入在困境。当晚1时，坂本支队长下令准备退回临沂地区，并于20时30分致电濑谷支队长：“支队为攻占沂州。奉命返回，预定明(6日)日没后开始行动。7日拂晓前在三佛楼附近集结兵力。”
此时，濑谷支队对台儿庄的攻击亦毫无进展，留置黄要庄的步兵第10联队的1个中队在第27师的猛攻下，不得不放弃纪庄等外围，退缩至黄林庄。
因第20军团迄今尚未对进攻台儿庄日军地侧背进行有力地攻击，致台儿庄地形势日趋危急，委员长遂于当天12点致电汤恩伯，严令其所部立即对敌军发起攻击。
同时第2集团军总司令-孙连仲亦接到第1战区司令长官-程潜的电文，严令其各部发起进攻。
4月6日晨，日军濑谷支队长发现第2集团军所属第110师已于昨晚渡运河北进，而第20军团第52军已逼近至支队司令部所在地不过7公里的张楼地，坂本支队则被第58军、第75军三面包围，且又准备于今晚撤走之时，遂认为独立维持台儿庄战局困难。
当天下午15时30分，濑谷支队长在电告第10师团长-矶谷廉介：“暂撤离台儿庄地区，部队向后方集结”。同时支队司令部立即部署撤退，准备支队于日没后以全力向北转进。
在兖州地矶谷廉介师团长接到濑谷启的电报后，立即电告濑谷支队长，令其终止后退。但濑谷支队此时已身陷险境，如不能趁夜迅速脱离台儿庄地区，等明日中**队合围后就有被全歼地危险，因而濑谷启少将遂抗命不从，继续指挥支队退却。
按照濑谷支队长的命令，步兵第10联队第1大队、步兵第39联队第1大队提前于日没时即占领獐山，步兵第63联队主力(不包括台儿庄部队)于日没时向朱庄进攻，以掩护支队主力撤退，第10联队、台儿庄内第63联队第2大队、顿河闸、插花沟、黄林庄的各中队均于20时撤出第一线，向泥沟地区集结。一时之间日军撤退混乱成片，尸体、物资均焚毁，而台儿庄内的部队由于被池峰城的第31师所困，众多士兵都没有能够撤出，至7日凌晨4时左右，这些滞留在台儿庄内的日军基本都被中**队肃清。
4月7日天亮之后，濑谷支队主力已退至官庄地区，后方掩护部队则在獐山一带。而坂本支队在得悉濑谷支队北撤后，当夜亦匆忙后撤，其本欲由东北方向退回临沂，但由于第20军团主力所阻，不得已只能改向西北方向败退，向第10师团靠拢。
第5战区司令长官-李宗仁得知日军北逃的情况后，于13时下达了追击命令，至4月8日，濑谷支队主力集结于峄县地区，一部占领獐山；而坂本支队则退至枣庄以南。鉴于两支队现已汇合，第2军司令官西尾寿造中将下令坂本支队暂归第10师团长指挥。
4月9日至11日，追击的中**队先后均已迫近峄县，但此时日军濑谷、坂本两支队已集中兵力占领了白山西、獐山、九山、郭里集等各要点，因而第2集团军、第20军团虽然连日猛攻，但进展甚缓，且损失颇多。
最高统帅部对追击行动缓慢甚感焦虑。4月15日，委员长致电李宗仁、白崇禧：“所拟机动攻势案甚妥，应速实施。”但此时，日本大本营于4月3日已做出决定，准备集中兵力发动徐州会战。华北方面军-第2军也已调整部署完毕。
随着4月18日，第10师团开始进攻，徐州战局直转而下。
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