52 军接到军令后，主力于 31 日拂晓自台儿庄以北十几公里外的甘露寺向日军侧面压过来，在中国军队优势兵力的猛攻下，日军节节败退，战斗持续到下午 15 时，中国军队已经先后收复马庄、小集、兰城店、张楼和大庄等地，将战线向前推进 4 公里。
是日，坂本支队也由临沂转向台儿庄驰援，并在向城、爱曲一线侧击第 20 军团。汤恩伯即命第 52 军及新到达的 75 军围攻坂本支队，激战数日，坂本支队伤亡巨大，救援计划也彻底落空。
被围困的矶谷师团眼见救援无望，决定以死相拼，中国军队虽然 5 倍于敌，但却难以有效压制敌人，双方激烈交战，战争陷入胶着之中。
4 月 2 日，第 5 战区司令部向各部下达了新的作战任务：
1. 第 20 军团（含第 75 军）以一部消灭洪山镇北方之敌，以主力于 3 日保持东南正面，向台儿庄附近敌人之左侧背攻击，逐次向左迂回，务在台儿庄左侧地区将敌捕捉歼灭之。因战况发展，须随时折断敌自峄县之退路，并对向城方向增援之敌严密警戒；
2. 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，向北洛附近敌之右侧进攻；
3. 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。
4 月 3 日，李宗仁下达总攻命令。第 52 军、第 85 军、第 75 军在台儿庄附近向敌展开猛烈攻势。但日军拼力争夺，占领了市街大部分地区。
此时，台儿庄内的守军 31 师 4 个团已经伤亡过半，先期从 30 师调来接替所部的两个团也伤亡惨重，到 3 日，台儿庄城西北门、北门、东门和东南门都已沦陷，全城过半以被占领，守军拒守南关一隅，靠组成大刀队夜袭敌人来拼死坚守。
池峰城再次恳请孙连仲让其部撤退到运河南岸，孙连仲断然拒绝道：「部队绝不许撤，士兵打完了你就自己填上去，你填完了我就自己来填，直到打光为止。有谁敢退过运河，杀无赦！」
无奈的池峰城知军令不可违，乃抱必死之志，逐屋与敌缠斗，战至黄昏，敌人停止了进攻。入夜后，孙部先锋敢死队数百人分组夜袭日军，打得敌人乱作一团，竟又一举夺回了被占领的台儿庄市街。
血战到 4 日深夜，整个台儿庄的孙连仲部守军已经伤亡殆尽，孙连仲感到再孤军死守将全军覆没，于是向李宗仁请求说：
第 2 集团军已伤亡惨重，敌人火力很强，攻势猛烈，但已被我们消耗得差不多了，可否答应让我部暂时过河休整，也好让第 2 集团军留点种子，也是长官的大恩大德。
听到此处，李宗仁不禁感到一阵凄凉和悲壮，但他更清楚台儿庄对战局的重要性，于是鼓励道：「敌我在台儿庄已经血战一周，胜负即将分晓。我援军明日正午可到，我本人也将于明晨到台儿庄督战，你部务必守至明日拂晓。」

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