徐州一線的戰事隨著日軍於1月4日佔領兗州、曲阜，6日佔領鄒縣，11日攻佔濟寧之後，進一步的往擴大方向展。中日雙方越來越傾向於在蘇魯皖交界地區展開新一輪的會戰。
時，濟寧方向的日軍第2軍所屬磯谷廉介第1o師團以步兵第8旅團下轄的沼田多稼藏大佐所指揮步兵第39聯隊控制於南關一線，汶上方向控制以該聯隊所屬步兵第3大隊。而第1o師團司令部及長瀨武平少將指揮的步兵第8旅團主力部署於兗州。
第3集團軍在展開攻擊的時候，按照代理總司令-孫桐萱在月1o日下達的命令，第55軍由金鄉向控制於濟寧南關的日軍步兵第39聯隊起進攻，第12軍所屬第22師由定陶經巨野、嘉祥迂迴至濟寧以北的二十里鋪附近，進攻濟寧北門，協同第55軍克復濟寧城。第81軍則是向汶上的日軍步兵第39聯隊第3大隊起進攻。
規定的時間是2月12日拂曉前到達進攻出地位，12日開始進攻。然而第55軍在曹福林軍長的指揮下，派出一部兵力進至濟寧西南的安居鎮附近運河西岸之後，並未以主力實施進攻，僅是以所屬第171團、第439團各一部渡過運河，對濟寧火車站、西關等要地進行襲擾。這小股的進攻迅便為日軍所擊退。
第12軍所屬第22師在師長谷良民指揮下。到達嘉祥以東地運河西岸後，立即以所屬第64旅為主攻力量，渡河向前推進。而第66旅為預備隊，隨同師部控制於運河西岸。
第64旅由大長溝方向通過運河之後，於12日拂曉前到達進攻出地位；該旅旅部推進至興文鎮之後。立即以第127團控制於二十里鋪。對汶上日軍進行警戒，掩護主力進攻；第128團、第129團則配置於濟寧北關兩側。預定天明後，以奮勇隊員喬裝成百姓潛入濟寧城內，然後起進攻，裡應外合。控制城門。打開突破。
然而由於日軍對**的作戰意圖已有覺察。12日當天緊逼東、西、北三座城門，僅以南門供出入。無奈之下，第64旅-時同然旅長只得命令部署北關的第128團、第129團變更作戰計劃。斷然攀城強攻。當天夜間22時左右，第128團、129團開始用長梯攀城進攻。然而在日軍火力之下，兩團官兵傷亡甚眾……）
屢屢不能得手之際，濟寧城西北處的城角被炸坍一段城牆，形成一個突破口。趁得此機，**果斷形成攻擊，9個連的中國士兵從這個缺口殺入。日軍步兵第39聯隊長-沼田多稼藏大佐立即調整部署，以南關地聯隊主力回援城中，同時先起以逆襲，堵住城西北角地缺口，切斷城內外的中**隊的聯繫，然後向突入城中的中國部隊起圍攻。
一場慘烈的巷戰由此在北大街及城西北隅地關帝廟一帶展開，雙方逐屋爭奪，殺聲連連。突入地中國部隊頓成孤軍之勢，雖英勇奮戰，但由於得不到補充和支援，在血戰一日夜之後，至14日拂曉，突入城內地9個連的中國官兵全部壯烈殉國。
由於攻擊作戰失利，城北的第64旅殘部，於13日23時接到第3集團軍代理總司令-孫桐萱地命令，向運河西岸撤退的命令。在日軍地尾隨追擊下，第64旅由第66旅接應，以民船渡過運河，撤至西岸。一場惡仗下來，掩護撤退的後衛營包括營長在內，幾乎陣亡大半；負責接應的第6旅旅長-薛明亮亦中彈負傷。
12日當夜，第81師亦對汶上起進攻，雖一度攻入北關，但由於在日軍猛烈下，傷亡甚眾。加之濟寧方面的第64旅已撤回運河西岸，故而第81師也放棄作戰，後撤至開河鎮附近，沿運河部署防線。至此，反攻濟寧的作戰宣告破滅。
就在孫桐萱第3集團軍向濟寧、汶上起進攻的同時，於1月上旬由隴海路的商丘、碭山地區轉移至滕縣、臨城地區的第22集團軍也向鄒縣一線的日軍起了進攻。
在接到向鄒縣之日軍進攻的命令後，第22集團軍總司令-孫震立即令第125師-第737旅由界河進攻兩下店，同時令第127旅第575團挺進至鄒縣、曲阜間，在日軍後方進行遊擊襲擾作戰。2月14日，第737旅以第746團擔任主攻，以第745團進行掩護。當夜，第746團以第3營對兩下店實施夜襲，但兩次進攻，均被日軍擊退。
戰鬥至16日下午，第746團又以第1、第2營實施強攻。經激烈戰鬥，遂於傍晚取得些許進展，但由於在日軍猛烈的火力下傷亡過半，不得不被迫於拂曉前突圍，退至郭山。
2月17日下午，兩下店方向的日軍開始進行反擊，在一夜激戰之後，第737旅於18日退至香城、普陽山一線。
而奉命實施敵後游擊作戰的第127旅-第575團於2月11日進至曲阜以南的九龍山一帶後，在1日，於鄒縣至曲阜公路兩側的小雪村附近實施游擊作戰。次日日，由曲阜、鄒一線縣展開對進合擊的日軍步步逼近而來，第575團只得東撤至田黃鎮，爾後返回滕縣。
龐炳勳第3軍團於2月上旬從海州調至臨沂之後，日軍板垣征四郎第5師團已經攻佔蒙陰、沂水，而在攻佔濰縣之後，第5師團又會同日本海軍，在青島實施登6，進而佔領青島。第3軍團未能實施進攻。就不得不就地構築工事，向蒙陰、沂水、諸城方向實施警戒。
按照第2軍司令官-西尾壽造中將地意圖，2月17日，第2軍參謀長鈴木率道少將，指示第1o師團師團長-磯谷廉介中將。當以貴師團所屬步兵第8旅團旅團長-長瀨武平少將指揮以步兵4個大隊、山炮兵1個中隊為基幹編組成的長瀨支隊。於2o日開始向運河防線的中**隊起進攻。展開魯南攻略作戰。
從1月下旬開始，日軍全面開始了魯南作戰，25日，在經過五天的進攻之後，日軍突破運河防線。26日攻佔嘉祥。第3集團軍在逐次抗擊後。撤至巨野、獨山鎮、大義集、孟家屯、相裡集一線重新建立防守。
2月21日。日軍第5師團依照第2軍參謀長鈴木率道少將於17日下達的關於以1個支隊配合第1o師團地作戰、向沂州方面前進地指示，派遣三浦敏事少將的步兵第21旅團所屬步兵第21聯隊長-片野定見大佐指揮步兵一個半大隊、山炮兵一個中隊為基幹組成片野支隊，由濰縣出。南下進攻莒縣。
防禦莒縣的劉震東第1游擊隊、沈鴻烈之海軍6戰隊由於力量不足，無法形成有效抵抗。第5戰區司令部遂電令第3軍團派隊支援。龐炳勳所派之援軍-第115旅於2月26日到達莒縣附近的時候。莒縣已於三天之前失守，第1游擊隊司令-劉震東殉國，沈鴻烈之海軍6戰隊退往高裡附近。而日軍則以片野支隊轉入步兵第21旅團長-阪本順少將的指揮下，並增加為步兵第1聯隊(欠1個大隊)，步兵第21聯隊（缺一部），步兵第42聯隊地1個大隊，野炮兵第5聯隊（兩個大隊），山炮兵1個中隊，共同組成阪本支隊，西進進攻臨沂。
從27日開始，日軍阪本支隊向第115旅起進攻。經兩日戰鬥，第115旅雖於29日下午後撤，日軍則尾隨第115旅追擊作戰，於3月5日攻佔湯頭。
鑒於一連地勝利，日本6軍方面地聲音逐次的在主戰態度上佔有優勢，華北方面軍司令官-寺內壽一大將更是直接表達了其對大本營的謹慎實施作戰地意圖和大擴大方針的不滿，寺內大將地「為使華北、華中聯接起來，而應該斷然進行徐州作戰」的主張，越來越是受到在華日軍將領們的吹捧。華北方面軍第1課長-下山大佐直接向參謀本部第1部第2課長-河邊大佐去了電文，積極表示了方面軍司令部支持第2軍繼續南下作戰的企圖。
雖然大本營方面一直表示沒有計劃改變原先的不擴大方針，但隨著3月1日，參謀本部內的人事變動，一貫主張慎重的河邊虎四郎大佐被免去負責作戰指導的作戰課課長職務，由6軍省軍事課高級課員稻田正純中佐繼任其職。
稻田正純就職之後，迅批准了第2軍的作戰計劃和增兵要求。3月8日，第2軍司令官西尾壽造中將派遣軍參謀鵜澤中佐向第1o師團長-磯谷廉介中將傳達了司令官的希望(軍司令官的希望並非正式命令)：「應佔領滕縣附近及確保大平邑」。
當天，第1o師團長下達師團命令，命令瀨谷支隊立即南下作戰。同一天，華中派遣軍參謀長-河邊正三少將致電大本營，提出申請「第1o師團前面之李宗仁軍逐漸增加，第13師團（蚌埠）前面之敵，看來也不是向日軍出擊而正向北面增加，派遣軍有必要策應華北方面軍。因考慮攻佔徐州，作戰後仍返回原位置。」
3月13日華北方面的第2軍司令部下達了正式命令，命第1o師團擊滅大運河以北之敵，第5師團以一部佔領沂州(臨沂)後，進入嶧縣附近，配合第1o師團作戰，在達到上述目的後，大致在滕縣、沂州一線為以後作戰作好準備」。
這樣一來，不僅僅等於日本大本營的不擴大方針的土崩瓦解，更是隨著第2軍的進攻行動開始，而直接導致了滕縣及臨沂的戰鬥，從而揭開了台兒莊作戰的序幕。
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