李宗仁於一九三七年十月十日離桂北上，先去南京接洽一切，然後到徐州組建司令長官部。五戰區最初指揮的部隊爲李品仙的第十一集團軍，原駐隴海路東段龐炳勳第三軍團，原駐青島的于學忠第五十一軍，原駐濟南附近的韓復榘第三集團軍，這四個部隊共約七萬人。其他部隊是後來陸續增加上去的。
白崇禧此次遠道而來，是告訴李宗仁，廖磊所指揮的第七軍和第四十八軍，他已徵得蔣介石的同意，從第三戰區調來第五戰區。估計敵自佔領南京後，即向江北推進，企圖打通津浦線，貫通南北戰場。所以廖磊集團軍調來五戰區是必要的，此外還要增加其他部隊。
李宗仁向白崇禧談到，山東韓復榘是態度模棱，毫無戰意，十二月下旬先後放棄了濟南、泰安，一月上旬又放棄了大汶口和濟寧，使我軍事上受到不利影響。白崇禧回到武漢報告蔣介石，蔣氏認爲情況嚴重，當召集何應欽、陳誠前來一同研究，鹹主張對韓復榘予以制裁。
一九三八年一月十一日，蔣介石偕白崇禧飛開封，在那裡召開軍事會議，李宗仁帶韓復榘前來參加。在會議間，忽然發了空襲警報，劉峙對韓復榘說：“我有專列在車站，如發出緊急警報，可將火車開出郊外。”韓氏欣然同往。一上車，立刻開動，唯已失劉峙蹤影。一軍官對韓氏出示“撤職查辦”的命令，解往武漢交付軍法判處死刑，於一月二十四日執行。韓復榘所兼第三集團軍由孫桐萱（1895—1978，抗戰時期任第三集團軍總司令，率部參加臺兒莊戰役。1943年，被蔣介石以“通敵有據”的罪名下令予以扣押，但未能定罪。1946年退出軍界前往北平，1978年在北京病逝。）升任總司令，士氣復振，向濟寧、汶口反攻，正面也由鄒縣出擊，相持之局遂成。
一月十七日，軍事委員會改組，以何應欽爲總參謀長兼軍政部長，白崇禧爲副總參謀長兼軍訓部長。時武漢爲抗戰重心所寄，中央駐武漢的代表周恩來、葉劍英，通過政治部副部長黃琪翔的聯繫，經常應白崇禧之邀，到武昌蛇山腳熊廷弼路白公館研究抗戰戰略問題。
一月下旬，日軍第十三師團自津浦線南段北上，向桂軍第三十一軍韋雲淞部的明光、池河等處推進。周恩來向白崇禧建議：津浦線南段應避開正面，而以強大兵力用運動戰、游擊戰從側面困擾，打擊敵人，使其不敢深入。白崇禧十分讚賞周恩來的意見，即向李宗仁轉達。還通知李宗仁：新四軍張雲逸部，已調到江北歸第十一集團軍指揮節制。
李宗仁採納了周恩來上述的建議，在津浦線南段以離心退卻、誘敵北上爲指導方針。因此，自二月三日起，敵先後佔領定遠、鳳陽、臨淮關、蚌埠等地。第五十一軍于學忠退守淮河北岸，敵乘勢渡淮。于學忠退至澮河、渦河沿岸。戰事發展至此，李宗仁一面以張自忠的第五十九軍協助於學忠防守淮北，一面以第七軍、第三十一軍和新四軍一部在老人倉向定遠、池河側擊敵人。此時第十一集團軍總司令李品仙在合肥指揮，在鐵路兩側，到處發動游擊戰，使敵顧此失彼，疲於奔命，其第十三師團不得不從淮北撤退，我亦將張自忠部調去滕縣。以後津浦線南段敵軍不能北上參加臺兒莊戰事。悉以此爲契機。
二月間，廣西學生軍出發徐州前線時駐蛇山玉冰堂，白崇禧特邀周恩來、陳紹禹、秦邦憲對這些青年學生講話。這充分表現白氏中間偏左的精神面貌。
蔣介石當時想利用白崇禧的超然地位同接近，而從中傳遞一個訊息。蔣氏當時有一項設想，以爲中國在去年（一九三七）八月二十二日發表宣言，意思說三民主義爲中國所必需，本黨當共同奮鬥以求其實現。因此蔣介石頗欲乘此時機，將國民黨、與其他黨派（如青年黨、國社黨）融合於一個信仰——三民主義與一個組織之下，共同爲國家獨立民族解放而努力，如同意此一做法，則國民黨可以改名或成立其他組織。關於此事，白崇禧曾受蔣介石的委託，同在武漢的領導人談過。陳紹禹原則上贊同，周恩來則謂取消是不可能的。後因臺兒莊大戰爆發，白崇禧忙於軍事，就把這個問題擱在一邊了。
且說一九三八年二月初，敵第五師團板垣徵四郎所部從膠濟路南進佔領蒙陰、沂水、莒縣、日照等地，李宗仁令龐炳勳的第三軍團向臨沂推進阻敵；同時令張自忠的第五十九軍由滕縣馳援臨沂，李宗仁並派參謀長徐祖詒親往前線指揮，協調龐張兩部行動，龐張兩部內外夾攻，血戰五晝夜，敵向沂水退卻，粉碎了敵企圖沿膠濟路向徐州推進的計劃。
日軍以左翼迂迴不成，乃以磯谷廉介的第十師團沿臺棗支線挺進，欲以迅雷之勢攻佔臺兒莊，以爲進攻徐州的據點。軍委會了解敵情後，即令湯恩伯的第二十軍團自歸德增援徐州，另自晉南調第二集團軍孫連仲部至徐州歸第五戰區司令長官李宗仁指揮。
三月十五日，敵第十師團從界河進攻滕縣，我守城的部隊爲川軍孫震所部的第一二二師，師長王銘章（1893—1938，著名抗日將領。臺兒莊戰役中王銘章“決心死拼，以報國家”，其屬將領除少數突圍外，皆灑盡了最後一滴血。國民政府對王銘章將軍奮勇抗戰給予高度評價，並追贈爲陸軍上將。1984年9月1日，四川省人民政府追認王銘章爲革命烈士。）憑城固守，等待湯恩伯軍團的增援，湯部沒有及時趕到。十七日，城破，王銘章壯烈殉國，所部犧牲殆盡。
三月二十四日，敵第十師團以一部進佔韓莊，主力沿臨棗支線挺進，攻佔棗莊、嶧縣後，其前鋒福榮聯隊乘勢猛撲臺兒莊。李宗仁以孫連仲部擔任臺兒莊的防衛，而令湯恩伯軍團埋伏於臺兒莊東北地區，等到日軍進攻臺兒莊時，即協同孫部內外夾擊，予以圍殲。但湯軍團沒有及時採取行動，致孫部孤軍拒敵，犧牲慘重。
蔣介石於三月二十四日偕白崇禧飛徐州視察，當日蔣氏返武漢，留下白崇禧協助李宗仁指揮台兒莊戰事。自三月二十四日起，敵磯谷師團主力，逐次加入臺兒莊陣地，倚靠空軍、重炮、戰車的支援，敵一度攻入臺兒莊北門，佔去城塞四分之三，我孫部池峰城（1904—1955，中將銜。先後參加臺兒莊會戰，徐州會戰，武漢保衛戰。解放戰爭中，任過河北省政府代主席，1949年1月策動軍統北平站長徐宗堯起義，率所部參加北平和平解放。因“歷史遺留問題”受審，1955年在北京監獄病逝。）師死力支撐，以待我外圍機動兵團的合圍攻擊，其處境極爲艱險。
至三月二十七日，湯恩伯軍團終於遵照李宗仁的命令，放棄進攻嶧棗的計劃，以主力向臺兒莊北側之敵進攻。到三月三十一日，臺兒莊之敵，遂完全陷入我包圍圈中。此時敵津浦北段指揮官西尾壽造，接到第十師團被圍的報告，乃令第五師團放棄進攻臨沂的企圖，除以一小部牽制龐、張兩部外，餘均轉運到愛曲，攻我湯軍團的側背，企圖解磯谷之圍。
湯恩伯軍團以關麟徵（1905—1980，國民政府陸軍總司令，用兵以穩，準、狠著稱，1947年，關麟徵任中央陸軍軍官學校第二任校長（第一任蔣介石）。蔣介石兵敗大陸，關麟徵退居香港，深居簡出，閉門謝客。）第五十二軍迎擊來自臨沂之敵，李宗仁及時地令新由河南開來的周喦（1895—1954，參加過淞滬會戰。1949年1月，調任京滬警備副司令兼浙江警備司令。1953年病故於臺北。1954年蔣介石追贈周喦爲陸軍上將。）第七十五軍應援關麟徵軍，協力將該敵擊破，仍回師圍攻臺兒莊之敵。四月六日晚間，我軍殲滅了敵第十師團大部、第五師團及徐州支隊一部，殘敵向北潰退。奔入嶧縣負隅固守。
白崇禧總結臺兒莊的勝利，認爲乃陣地戰、運動戰與游擊戰緊密配合的戰果。這是科學地概括。因爲在津浦線南段，我以游擊戰困擾敵軍，使其不敢渡淮北上參加臺兒莊大戰；又在臺兒莊內外，又是陣地戰與運動戰結合。所以臺兒莊大捷，得來很不容易。
徐州乃四戰之地，易攻難守。臺兒莊所以打了勝仗，是因爲敵軍北動而南不動，使李宗仁、白崇禧能夠集中優勢兵力，聚而殲之。日軍在臺兒莊敗仗後，陸軍大臣來巡視了，參謀總長來指揮了，集中晉綏蘇皖的兵力三十萬人，分從南北總攻徐州，以達到其打通津浦路的目的。
與此同時，白崇禧回到武漢向蔣介石報告臺兒莊作戰經過，並要增援徐州。蔣介石將下列部隊在四月二十日以後調到第五戰區：李延年的第二軍，樊崧甫的第四十六軍，盧漢的第六十軍，劉汝明的第六十八軍，李仙洲（1894—1988，中將銜，黃埔軍校第一期畢業。抗戰時參加過徐州會戰、武漢會戰諸役。1946年後任第二綏靖區中將副司令長官，萊蕪戰役指揮2個軍被伏擊，瞬間全軍覆沒，陳誠罵：“就是放六萬頭豬讓共軍去抓，三天也抓不完！”1960年11月28日特赦釋放。後擔當南京黃埔軍校同學會名譽會長，1988年10月22日在濟南逝世。）的第九十二軍。增援的部隊幾達二十萬人。
白崇禧在電話中傳達這一訊息時，李宗仁問道：“委員長調了這麼多部隊幹什麼呢？”
白崇禧說：“委員長想要你擴大臺兒莊的戰果。”
“現在已經太遲了。”李宗仁惋惜地說。
白崇禧未嘗不知道增援過遲，如果在四月初這些部隊就開到徐州周圍，那多麼好啊！可以一鼓作氣，擴大戰果，現在顯然已失時機了。但爲延緩敵進攻武漢，不得不增援徐州。
四月二十六日以後，敵分兵六路，以徐州爲中心，作外線的進擊；白崇禧於四月二十二日再到徐州協助李宗仁指揮調度。以下是作戰經過。
在津浦線南段，敵除以一部犯合肥，牽制我的這方面的兵力外，復以其第九兵團及井關機械化部隊，沿渦河出蒙城。同時，阜寧、淮陰方面，亦有敵第三、第一〇一、第一一六師團的活動。五月九日，蒙城淪陷。十二日，敵又陷永城，直趨黃口車站，並以一部進犯徐州，此時蚌埠附近之敵第一〇二、第一〇七、第一一九師團各一部亦逼宿縣。
在津浦線北段，濟南方面之敵第一一一師團亦向南進犯，五月十一日及十四日，鄆城菏澤相繼失守。敵又以十六師團一部，由南陽鎮西渡南陽湖，攻我魯西軍右側背；敵第一一四師團又於十四日陷我金鄉魚臺。此時李宗仁、白崇禧理解到：爲了粉碎日寇“速決”企圖，只有把我徐州大軍迅速西移。五月十三日，開始行動，五月十九日，宣佈放棄徐州。白崇禧於五月二十九日回到武漢。