在得到臺兒莊派遣隊所發來的新的一紙告急電文之後，瀨谷支隊再次接到了來自第10師團部的指令，該電令是師團長-磯谷廉介中將所下達的“採取果敢之攻勢”的命令。當即瀨谷啓少將決定由步兵第63聯隊-福榮真平大佐率僅有的第3大隊趕赴臺兒莊。
3月28日，開始福榮大佐集中所掌握的步兵第63聯隊第3大隊全部力量，在野戰炮兵第10聯隊1個大隊、野戰重炮兵第2聯隊的兩個大隊、中國駐屯炮兵聯隊第3大隊的1箇中隊的150毫米榴彈炮的炮火準備下，以30餘輛戰車掩護，協同之前突入臺兒莊中的步兵第63聯隊第2大隊，對臺兒莊發動了第三次猛攻。
而防禦臺兒莊的第2集團軍除以第31師據守臺兒莊陣地，做頑強抗擊外，還令第27師、第3師及獨立第44旅從東、西向敵人側翼及後方進行反擊。淞滬、南京作戰後損失慘重的中國空軍，也在臺兒莊戰場上以9架戰機直接支援地面部隊戰鬥。
不過雖然日軍僅在炮火掩護的下佔領了臺兒莊的西北一角，爾後再無進展，但突入城中的日軍卻乘機擴張了不少戰果。以至於守軍第31師在將所有能夠戰鬥的勤雜人員全部組織起來投入戰鬥後，靠着慘烈的拉鋸戰，逐屋爭奪，方纔使得陣地穩定在犬牙交錯地狀態。
日軍第2軍司令官-西尾壽造見步兵第63聯隊攻擊受阻。而中**隊第20軍團又正向南進，步兵第63聯隊隨時都有被圍殲的危險，遂在3月29日下令第5師團坂本支隊暫停進攻臨沂，急向臺兒莊方面增援；同時令瀨谷支隊全力增援臺兒莊前線。
至3月30日晨，由瀨谷啓少將親率的支隊主力並步兵第10聯隊（約1個半大隊的兵力）及配屬戰車部隊已經從嶧縣南下。當晚21時左右。瀨谷支隊先頭部隊已經到達距離臺兒莊以西不過6公裏的範口村，其支隊主力則集結於獐山東側各村中。
在發現瀨谷支隊已經南下，而第2集團軍孫連仲部依然沒有能夠和湯恩伯第20軍團取得聯繫地情況下，當夜20，第5戰區長官司令部再次電令湯恩伯：“敵主力似南下。着貴軍團長以一部監視嶧縣。親率主力前進。協同孫軍肅清檯兒莊方面之敵，限31日拂曉前到達，勿得延誤爲要。”
而臺兒莊內地日軍臺兒莊派遣隊在得知瀨谷支隊主力南下支援的情況後。立即在飛機及莊外的福榮部隊的支援下，全力發起進攻。並迅速推進至莊南的運河北岸。
見此危機，孫連仲臉面派第30師-第176團入莊增援，與第31師部隊據守莊西陣地，做拼死之抵抗，方纔遏止了日軍地進攻。3月31日，瀨谷支隊與第2集團軍部隊激戰於臺兒莊內外終日，但毫無沒進展。第10師團長磯谷廉介遂增調該師團駐濟寧步兵第39聯隊第1大隊，配屬步兵第10聯隊，以加強瀨谷支隊地進攻能力。
而此時由於坂本支隊主力轉向臺兒莊，臨沂形勢緩和，第5戰區長官司令部立即下令將原準備調到臨沂方面地第59軍第139師增援爲臺兒莊方面預備隊。
湯恩伯第20軍團的先頭部隊於30日夜到達甘露附近後，31日開始向獐山以東的日軍進攻，並於中午前後，與由臨沂西進地日軍坂本支隊先頭部隊發生戰鬥。第85軍-第89師前在邰家莊附近被坂本支隊擊退。湯恩伯遂急調第4師至向城、愛曲地區阻擊作戰。
4月1日，日軍坂本支隊與第20軍團第52軍在蘭陵鎮以北地區展開激戰。當晚，坂本支隊除留1個步兵中隊及1個騎兵隊在向城、蘭陵地區外，其主力向臺兒莊以東的岔河鎮方向前進……）第5戰區長官司令部當即急令作爲預備隊地第59軍第139師前進至岔河鎮佔領陣地，歸第20軍團指揮。當夜，孫連仲第2集團軍組織奮勇隊，向臺兒莊內日軍展開反擊。
次日，瀨谷支隊下屬之步兵第10聯隊至臺兒莊以東地區，突破第27師彭村、上村、陶溝橋等處陣地，於推進到陳瓦房、耿莊地區的的版本支隊匯合。
由於日軍瀨谷支隊、坂本支隊均向臺兒莊以東地區前進，第5戰區司令長官-李宗仁只得急將剛剛調至碾莊、八義集一帶的第75軍進至岔河鎮地區，令由臨沂方面調來的第57軍第111師-第333旅進至魯坊地區，以上部隊均歸第20軍團長湯恩伯指揮，以集中兵力將已進至臺兒莊附近的日軍圍殲。
當日晚間20時，第5戰區長官司令部向各單部隊下達了作戰命令。而此時的臺兒莊內則是激戰連連，莊內莊外、散兵壕內，屍體重疊相枕，到處是爲血海屍山之景。
得知其步兵第10聯隊、坂本支隊均已增援至臺兒莊以東之時，日軍臺兒莊特遣隊遂再次發起進攻，不過和之前的作戰一樣，在第31師的抗擊下，日軍除重新奪佔了東南門外，再無進展，而第10聯隊則在石拉一線陷於苦戰、坂本支隊也在整個4月日一天與第75軍在火石埠一帶全面激戰……）而此時，第52軍已消滅了坂本支隊的掩護分隊，正向楊樓一線前進，準備進攻瀨谷支隊左側背。
發現中**隊有向其翼側、後方包圍的跡象後，瀨谷支隊長只得急令步兵第10聯隊除留1箇中隊的兵力置於黃林莊地區。與臺兒莊內第63聯隊第2大隊相呼應之外，其他部隊立即向支隊司令部靠攏，連夜北返，並在距臺兒莊約4公裏地魚鱗集結。
而4月4日這一天，坂本支隊進攻也頹然受挫。其部被第7軍、第85軍包圍於火石埠一線。
最高統帥部得到臨城、棗莊一帶的日軍均南下增援的情報後。立即命令第3集團軍前敵總司令-曹福林必須在4月5日推進到臨、棗地區，以切斷日軍的前後聯繫、合圍臺兒莊附近日軍於嶧縣以南地區。
當天，中國空軍派飛機27架，分兩批轟炸了瀨谷支隊和坂本支隊。而由於處於在第75軍、第85軍的圍攻下，加上與後方地聯繫已完全被第20軍切斷。彈藥、糧秣等補給均無法從臨沂方面地第5師團獲得。坂本支隊不得已只能轉向於第10師團瀨谷支隊方面獲得補給。顯然其部隊已然陷入在困境。當晚1時，坂本支隊長下令準備退回臨沂地區，並於20時30分致電瀨谷支隊長：“支隊爲攻佔沂州。奉命返回，預定明(6日)日沒後開始行動。7日拂曉前在三佛樓附近集結兵力。”
此時，瀨谷支隊對臺兒莊的攻擊亦毫無進展，留置黃要莊的步兵第10聯隊的1箇中隊在第27師的猛攻下，不得不放棄紀莊等外圍，退縮至黃林莊。
因第20軍團迄今尚未對進攻臺兒莊日軍地側背進行有力地攻擊，致臺兒莊地形勢日趨危急，委員長遂於當天12致電湯恩伯，嚴令其所部立即對敵軍發起攻擊。
同時第2集團軍總司令-孫連仲亦接到第1戰區司令長官-程潛的電文，嚴令其各部發起進攻。
4月6日晨，日軍瀨谷支隊長髮現第2集團軍所屬第110師已於昨晚渡運河北進，而第20軍團第52軍已逼近至支隊司令部所在地不過7公裏的張樓地，坂本支隊則被第58軍、第75軍三麪包圍，且又準備於今晚撤走之時，遂認爲獨立維持臺兒莊戰局困難。
當天下午15時30分，瀨谷支隊長在電告第10師團長-磯谷廉介：“暫撤離臺兒莊地區，部隊向後方集結”。同時支隊司令部立即部署撤退，準備支隊於日沒後以全力向北轉進。
在兗州地磯谷廉介師團長接到瀨谷啓的電報後，立即電告瀨谷支隊長，令其終止後退。但瀨谷支隊此時已身陷險境，如不能趁夜迅速脫離臺兒莊地區，等明日中**隊合圍後就有被全殲地危險，因而瀨谷啓少將遂抗命不從，繼續指揮支隊退卻。
按照瀨谷支隊長的命令，步兵第10聯隊第1大隊、步兵第39聯隊第1大隊提前於日沒時即佔領獐山，步兵第63聯隊主力(不包括臺兒莊部隊)於日沒時向朱莊進攻，以掩護支隊主力撤退，第10聯隊、臺兒莊內第63聯隊第2大隊、頓河閘、插花溝、黃林莊的各中隊均於20時撤出第一線，向泥溝地區集結。一時之間日軍撤退混亂成片，屍體、物資均焚燬，而臺兒莊內的部隊由於被池峯城的第31師所困，衆多士兵都沒有能夠撤出，至7日凌晨4時左右，這些滯留在臺兒莊內的日軍基本都被中**隊肅清。
4月7日天亮之後，瀨谷支隊主力已退至官莊地區，後方掩護部隊則在獐山一帶。而坂本支隊在得悉瀨谷支隊北撤後，當夜亦匆忙後撤，其本欲由東北方向退回臨沂，但由於第20軍團主力所阻，不得已只能改向西北方向敗退，向第10師團靠攏。
第5戰區司令長官-李宗仁得知日軍北逃的情況後，於13時下達了追擊命令，至4月8日，瀨谷支隊主力集結於嶧縣地區，一部佔領獐山；而坂本支隊則退至棗莊以南。鑑於兩支隊現已匯合，第2軍司令官西尾壽造中將下令坂本支隊暫歸第10師團長指揮。
4月9日至11日，追擊的中**隊先後均已迫近嶧縣，但此時日軍瀨谷、坂本兩支隊已集中兵力佔領了白山西、獐山、九山、郭裏集等各要，因而第2集團軍、第20軍團雖然連日猛攻，但進展甚緩，且損失頗多。
最高統帥部對追擊行動緩慢甚感焦慮。4月15日，委員長致電李宗仁、白崇禧：“所擬機動攻勢案甚妥，應速實施。”但此時，日本大本營於4月3日已做出決定，準備集中兵力發動徐州會戰。華北方面軍-第2軍也已調整部署完畢。
隨着4月18日，第10師團開始進攻，徐州戰局直轉而下。
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