徐州位于黄淮两河之间，地据鲁豫皖苏四省要冲，为津浦、陇海两铁路之枢纽，兵家必争战略要地。
日军占领南京后，为迅速灭亡中国，计划攻占徐州，打通津浦线，使南北日军相连，进而攫取中原、攻占武汉。为此，日军先后调集8个师团及3个旅团、2个支队约24万人，分别由华中派遣军司令官畑俊六和华北方面军司令官寺内寿一指挥，实行南北对进，夹击徐州。中国国民政府军事委员会为确保徐州，先后调集64个师另3个旅约60万人，由第五战区司令长官李宗仁指挥，在以徐州为中心的津浦路南北的广阔地域上，同日本侵略军展开了一场大规模的会战。
1938年1月中旬，日军第5师团在青岛强行登陆沿胶济路西进，同第10师团齐头猛进，企图会攻台儿庄，与北犯日军合围徐州。
临沂为鲁南重镇、徐州东北屏障，得失关系全局。3月10日，日军第5师团2万余人猛攻临沂。李宗仁即令张自忠率第59军紧急驰援。14日，第59军强渡沂河，两部合力夹击，激战5昼夜，重创日军，粉碎了日军会师台儿庄的图谋。
台儿庄位于徐州东北30公里大运河北岸，扼守运河咽喉，是徐州的门户。3月20日，日军濑谷支队孤军深入，向台儿庄突进。李宗仁令孙连仲第2集团军的3个师扼守台儿庄；汤恩伯第20军团让开津浦路正面，转入侧后抱犊崮东南山区，诱敌深入，拊敌之背。
3月24日，日军濑谷支队猛攻台儿庄，至27日，守军伤亡过半，第31师师长池峰城率部与敌展开肉搏巷战。29日，蒋介石下令死守台儿庄。李宗仁即令第2集团军死守台儿庄阵地；严令第20军团主力向台儿庄机动夹击日军。4月3日，中国军队发起全线反攻，激战4天，歼灭日军濑谷支队大部、坂本支队一部共1万余人。台儿庄战役是中国军队取得的一次重大胜利。
4月7日，日军大本营下达徐州作战命令，企图从侧后迂回包围徐州，歼灭第五战区主力。蒋介石为“扩大台儿庄战果”，准备在徐州地区与日军决战，以使武汉有更充足的备战时间，将各战区部队大批调往徐州。
5月5日起，日军从南北两个方面向徐州西侧迂回包围，至15日，日军形成对徐州的四面合围态势。为保存有生力量，国民政府军事委员会于5月15日决定放弃徐州，主力部队分五路向徐州西南方向突围，各路大军分别转移到豫南、皖西边界地区，19日徐州失陷。
徐州会战，是继淞沪、太原会战之后中国战场上又一次大的会战。双方均投入数十万兵力，历时4个多月。中国军队广大官兵英勇奋战，付出重大牺牲，歼灭数以万计的日军，为武汉保卫战赢得了准备时间，鼓舞了全国人民的抗战意志。
