1937年底，南京彻底沦陷了，日军妄图打通津浦线，将南北战场连为一体，进而威逼武汉，徐州成为关键战略要地，中方在第五战区司令长官李宗仁的指挥下，严阵以待，一场血雨腥风的大战就此拉开帷幕。
会战初期，南线日军第十三师团气势汹汹地向安徽凤阳、蚌埠进犯，中方第五十一军等部奋起抵抗，在淮河沿线与日军展开激烈争夺，双方你来我往，阵地多次易手，战斗异常惨烈，关键时刻，第五十九军在张自忠将军的率领下紧急驰援，将士们不顾疲劳、日夜兼程，向日军发起猛烈反攻，经过数天激战，成功收复淮河以北部分阵地，稳定了南线战局，使日军难以轻易北上。与此同时，北线战场同样硝烟弥漫，日军第五师团和第十师团分路进攻，第五师团进攻临沂，企图与第十师团会师，对徐州形成包围之势，驻守临沂的庞炳勋第四十军拼死抵抗，但是，兵力悬殊、形势危急。
张自忠再次率第五十九军星夜奔赴临沂，与庞炳勋部携手作战，两支军队密切配合，在临沂城下与日军展开殊死搏斗，双方反复争夺阵地，展开激烈巷战，喊杀声震天，最终，成功击退日军，粉碎了其会师计划，为徐州会战的胜利奠定了基础。台儿庄战役是徐州会战的关键节点，于是在1938年3月，日军第十师团濑谷支队孤军深入，向台儿庄进发，中方在此布下天罗地网，孙连仲的第二集团军坚守台儿庄，与日军展开惨烈的巷战，日军凭借先进的武器和猛烈的炮火，一次次向台儿庄发起进攻，城内硝烟弥漫，房屋被炸成废墟，但中国守军毫不退缩，与日军逐街逐巷争夺，用血肉之躯筑起坚固防线，汤恩伯的第二十军团则在外围迂回，待机而动，最终与4月3日，中方发起全线反攻，内外夹击，经过四天激战，歼灭日军万余人，取得了振奋人心的台儿庄大捷，这一胜利如同一剂强心针，极大地鼓舞了全国军民的抗战信心。
然而，日军不甘心失败，迅速调集重兵，对徐州形成合围之势，面对严峻形势，中方为保存有生力量，于五月中旬开始向西转移，在掩护主力撤退的过程中，中方付出了巨大牺牲，但成功跳出日军包围圈，为日后的持久战保存了实力，最终于5月19日，徐州沦陷，徐州会战落下帷幕。这场战争对于中日双方，付出的代价都是巨大的，中方的伤亡数据有不同说法，一般认为伤亡六万五千万余人，也有说法称伤亡超过十万人，日军伤亡近三万人，其中台儿庄战役，是徐州会战中双方伤亡最大的一场战役，中方伤亡约五万余人，日军伤亡约二万余人。
徐州会战虽然以徐州的失守告终，但中方在会战中顽强抵抗，给予日军沉重打击，这场会战不仅彰显了中国军民不屈的抗战精神，也为武汉保卫战赢得了宝贵时间，为持久抗战奠定了坚实基础，在抗日战争史上留下了浓墨重彩的一笔。