淞沪沦陷后，日寇乘胜西犯，水陆并进，使南京成为其第二进攻目标。因此保卫南京问题就提到军委会的议程上来。
十一月十一日，即宣布上海全线撤退的第三天，蒋介石在南京召开一次会议，专门讨论保卫南京问题。会前白崇禧写有一个建议：宣布南京为不设防城市，他是基于下面的各种考虑提出此一建议的：
一、假如早时依白崇禧的设想，沪战只作轻微抵抗，将主力撤到南京，深沟高垒，以守上海的精神守南京，尽管南京最后还是失守，但其抗敌成果一定较大。今我军没有第二线的主力军，调来防守南京的完全是一些在沪战打过仗的残破部队，已经衰竭不堪，其不能克敌制胜，盖可断言。
二、南京为孙中山先生亲自指定的首都，是总理陵园所在地，殊不忍使其受到战争的破坏，宣布为不设防城市，当为国内外有识之士所共喻。
三、不守南京，可将我军撤到大江南北，既可防止敌军西攻武汉，又可延缓其打通津浦线。
可是在会议上，蒋介石首先表示南京为我国首都，中外观瞻所系，必须固守。经他这么一说，白崇禧就不便把他的不设防动议提出来了。
跟着蒋介石就问：“守南京的问题就这样决定，大家看谁来负责好？”
当时没有人吭声，过了一会儿，唐生智忽自告奋勇道：“军人以身许国，我愿负此责任，誓与南京共存亡。”蒋介石看见唐孟潇（生智）毛遂自荐，十分高兴，随以手令发表唐生智为南京卫戍司令长官，罗卓英、刘兴为副司令长官。唐生智于十一月二十日就职。
守南京的部队为桂永清的教导总队，宋希濂的第三十六师，沈发藻的第八十七师，孙元良的第八十八师，丁治磐的第四十一师，徐继武的第四十八师，以及宪兵两个团，炮兵第八团的一个营、高射炮营、通信营等，共约七万人左右。
唐生智就职后，蒋介石令白崇禧协助唐生智侦察南京城内外的地形。那时大江南北，白雪纷飞，白崇禧与唐生智同坐汽车先到城外汤山、栖霞、乌龙炮台、秣陵等地视察阵地。次日，继续巡视城内的蒋山、雨花台、天堡城等地。在视察时，白崇禧发现唐生智身体衰弱，气息喘急，披着重裘，犹不胜寒，在平地他还可以下来看看，及爬高山，他便托白氏代为侦察。白崇禧看到唐生智健康如此，不禁为南京防守担心。
在唐生智就职之日，国民政府已宣告迁都重庆。十二月一日，国民政府开始在重庆办公。十二月二日，蒋介石在南京召集白崇禧、顾祝同、徐永昌、唐生智举行会议，讨论德使陶德曼交来日本提出的和平条件，这是蒋百里在柏林活动的结果。日方要求：内蒙自治；华北建立一个非军事区；国民政府停止反日政策；中日共同防共，等等。白崇禧说：“如果条件只有这些，是可以商量的。”其他各人也表示：此等条件可以作为谈判的基础。随后，白崇禧陪同蒋介石于十二月七日上午五时四十五分离开南京飞往南昌。自六日起日寇分兵四路攻我南京。南京守军又增加了叶肇的两个师，巫剑雄的一四五师，王耀武（1904—1968，黄埔系骨干将领，在江西与红军作战中因功被提拔为师长。在抗日战争中大放异彩，带着74军打遍了大江南北，以上高、常德、雪峰山三战最为出色，凭战功出任方面军司令官和山东省政府主席。1964年，任全国政协委员。）的五十一师，冯圣法的五十八师，都是从沪战前线退下来的，总兵力达到十一万多人。
南京保卫战只打了八天。十二月十二日，敌第九师团主力猛攻中华门外雨花台，守军第八十八师伤亡惨重，至正午雨花台陷落。敌自此居高临下，以重炮向城内据点轰击，炮火声震撼全城，南京遂告陷落。
十二月十三日，敌军入南京城，残杀我军民三十万人。为现代史上破天荒的残暴纪录。
一九三八年元旦，白崇禧从南昌来到金华与第三战区司令长官顾祝同商军事，决定钱塘江南岸防务由第十集团军总司令刘建绪负责，北岸由第二十一集团军总司令廖磊负责。白、顾两人还到钱塘江北岸视察了一周，然后白崇禧到皖南去了。黄绍竑此时从山西回来，回任浙江省政府主席。他在金华晤白崇禧后，随即去永康布置浙江的临时省会。
四、逮捕韩复榘与台儿庄大战
白崇禧在金华与廖磊会晤后，即由皖南、合肥去徐州看第五战区司令长官李宗仁，商津浦线作战事宜。
李宗仁于一九三七年十月十日离桂北上，先去南京接洽一切，然后到徐州组建司令长官部。五战区最初指挥的部队为李品仙的第十一集团军，原驻陇海路东段庞炳勋第三军团，原驻青岛的于学忠第五十一军，原驻济南附近的韩复榘第三集团军，这四个部队共约七万人。其他部队是后来陆续增加上去的。
白崇禧此次远道而来，是告诉李宗仁，廖磊所指挥的第七军和第四十八军，他已征得蒋介石的同意，从第三战区调来第五战区。估计敌自占领南京后，即向江北推进，企图打通津浦线，贯通南北战场。所以廖磊集团军调来五战区是必要的，此外还要增加其他部队。
李宗仁向白崇禧谈到，山东韩复榘是态度模棱，毫无战意，十二月下旬先后放弃了济南、泰安，一月上旬又放弃了大汶口和济宁，使我军事上受到不利影响。白崇禧回到武汉报告蒋介石，蒋氏认为情况严重，当召集何应钦、陈诚前来一同研究，咸主张对韩复榘予以制裁。
一九三八年一月十一日，蒋介石偕白崇禧飞开封，在那里召开军事会议，李宗仁带韩复榘前来参加。在会议间，忽然发了空袭警报，刘峙对韩复榘说：“我有专列在车站，如发出紧急警报，可将火车开出郊外。”韩氏欣然同往。一上车，立刻开动，唯已失刘峙踪影。一军官对韩氏出示“撤职查办”的命令，解往武汉交付军法判处死刑，于一月二十四日执行。韩复榘所兼第三集团军由孙桐萱（1895—1978，抗战时期任第三集团军总司令，率部参加台儿庄战役。1943年，被蒋介石以“通敌有据”的罪名下令予以扣押，但未能定罪。1946年退出军界前往北平，1978年在北京病逝。）升任总司令，士气复振，向济宁、汶口反攻，正面也由邹县出击，相持之局遂成。
一月十七日，军事委员会改组，以何应钦为总参谋长兼军政部长，白崇禧为副总参谋长兼军训部长。时武汉为抗战重心所寄，中共中央驻武汉的代表周恩来、叶剑英，通过政治部副部长黄琪翔的联系，经常应白崇禧之邀，到武昌蛇山脚熊廷弼路白公馆研究抗战战略问题。
一月下旬，日军第十三师团自津浦线南段北上，向桂军第三十一军韦云淞部的明光、池河等处推进。周恩来向白崇禧建议：津浦线南段应避开正面，而以强大兵力用运动战、游击战从侧面困扰，打击敌人，使其不敢深入。白崇禧十分赞赏周恩来的意见，即向李宗仁转达。还通知李宗仁：新四军张云逸部，已调到江北归第十一集团军指挥节制。
李宗仁采纳了周恩来上述的建议，在津浦线南段以离心退却、诱敌北上为指导方针。因此，自二月三日起，敌先后占领定远、凤阳、临淮关、蚌埠等地。第五十一军于学忠退守淮河北岸，敌乘势渡淮。于学忠退至浍河、涡河沿岸。战事发展至此，李宗仁一面以张自忠的第五十九军协助于学忠防守淮北，一面以第七军、第三十一军和新四军一部在老人仓向定远、池河侧击敌人。此时第十一集团军总司令李品仙在合肥指挥，在铁路两侧，到处发动游击战，使敌顾此失彼，疲于奔命，其第十三师团不得不从淮北撤退，我亦将张自忠部调去滕县。以后津浦线南段敌军不能北上参加台儿庄战事。悉以此为契机。
二月间，广西学生军出发徐州前线时驻蛇山玉冰堂，白崇禧特邀周恩来、陈绍禹、秦邦宪对这些青年学生讲话。这充分表现白氏中间偏左的精神面貌。
蒋介石当时想利用白崇禧的超然地位同共产党接近，而从中传递一个讯息。蒋氏当时有一项设想，以为中国共产党在去年（一九三七）八月二十二日发表宣言，意思说三民主义为中国所必需，本党当共同奋斗以求其实现。因此蒋介石颇欲乘此时机，将国民党、共产党与其他党派（如青年党、国社党）融合于一个信仰——三民主义与一个组织之下，共同为国家独立民族解放而努力，共产党如同意此一做法，则国民党可以改名或成立其他组织。关于此事，白崇禧曾受蒋介石的委托，同中共在武汉的领导人谈过。陈绍禹原则上赞同，周恩来则谓取消共产党是不可能的。后因台儿庄大战爆发，白崇禧忙于军事，就把这个问题搁在一边了。
且说一九三八年二月初，敌第五师团板垣征四郎所部从胶济路南进占领蒙阴、沂水、莒县、日照等地，李宗仁令庞炳勋的第三军团向临沂推进阻敌；同时令张自忠的第五十九军由滕县驰援临沂，李宗仁并派参谋长徐祖诒亲往前线指挥，协调庞张两部行动，庞张两部内外夹攻，血战五昼夜，敌向沂水退却，粉碎了敌企图沿胶济路向徐州推进的计划。
日军以左翼迂回不成，乃以矶谷廉介的第十师团沿台枣支线挺进，欲以迅雷之势攻占台儿庄，以为进攻徐州的据点。军委会了解敌情后，即令汤恩伯的第二十军团自归德增援徐州，另自晋南调第二集团军孙连仲部至徐州归第五战区司令长官李宗仁指挥。
三月十五日，敌第十师团从界河进攻滕县，我守城的部队为川军孙震所部的第一二二师，师长王铭章（1893—1938，著名抗日将领。台儿庄战役中王铭章“决心死拼，以报国家”，其属将领除少数突围外，皆洒尽了最后一滴血。国民政府对王铭章将军奋勇抗战给予高度评价，并追赠为陆军上将。1984年9月1日，四川省人民政府追认王铭章为革命烈士。）凭城固守，等待汤恩伯军团的增援，汤部没有及时赶到。十七日，城破，王铭章壮烈殉国，所部牺牲殆尽。
三月二十四日，敌第十师团以一部进占韩庄，主力沿临枣支线挺进，攻占枣庄、峄县后，其前锋福荣联队乘势猛扑台儿庄。李宗仁以孙连仲部担任台儿庄的防卫，而令汤恩伯军团埋伏于台儿庄东北地区，等到日军进攻台儿庄时，即协同孙部内外夹击，予以围歼。但汤军团没有及时采取行动，致孙部孤军拒敌，牺牲惨重。
蒋介石于三月二十四日偕白崇禧飞徐州视察，当日蒋氏返武汉，留下白崇禧协助李宗仁指挥台儿庄战事。自三月二十四日起，敌矶谷师团主力，逐次加入台儿庄阵地，倚靠空军、重炮、战车的支援，敌一度攻入台儿庄北门，占去城塞四分之三，我孙部池峰城（1904—1955，中将衔。先后参加台儿庄会战，徐州会战，武汉保卫战。解放战争中，任过河北省政府代主席，1949年1月策动军统北平站长徐宗尧起义，率所部参加北平和平解放。因“历史遗留问题”受审，1955年在北京监狱病逝。）师死力支撑，以待我外围机动兵团的合围攻击，其处境极为艰险。
至三月二十七日，汤恩伯军团终于遵照李宗仁的命令，放弃进攻峄枣的计划，以主力向台儿庄北侧之敌进攻。到三月三十一日，台儿庄之敌，遂完全陷入我包围圈中。此时敌津浦北段指挥官西尾寿造，接到第十师团被围的报告，乃令第五师团放弃进攻临沂的企图，除以一小部牵制庞、张两部外，余均转运到爱曲，攻我汤军团的侧背，企图解矶谷之围。
汤恩伯军团以关麟征（1905—1980，国民政府陆军总司令，用兵以稳，准、狠著称，1947年，关麟征任中央陆军军官学校第二任校长（第一任蒋介石）。蒋介石兵败大陆，关麟征退居香港，深居简出，闭门谢客。）第五十二军迎击来自临沂之敌，李宗仁及时地令新由河南开来的周喦（1895—1954，参加过淞沪会战。1949年1月，调任京沪警备副司令兼浙江警备司令。1953年病故于台北。1954年蒋介石追赠周喦为陆军上将。）第七十五军应援关麟征军，协力将该敌击破，仍回师围攻台儿庄之敌。四月六日晚间，我军歼灭了敌第十师团大部、第五师团及徐州支队一部，残敌向北溃退。奔入峄县负隅固守。
白崇禧总结台儿庄的胜利，认为乃阵地战、运动战与游击战紧密配合的战果。这是科学地概括。因为在津浦线南段，我以游击战困扰敌军，使其不敢渡淮北上参加台儿庄大战；又在台儿庄内外，又是阵地战与运动战结合。所以台儿庄大捷，得来很不容易。
徐州乃四战之地，易攻难守。台儿庄所以打了胜仗，是因为敌军北动而南不动，使李宗仁、白崇禧能够集中优势兵力，聚而歼之。日军在台儿庄败仗后，陆军大臣来巡视了，参谋总长来指挥了，集中晋绥苏皖的兵力三十万人，分从南北总攻徐州，以达到其打通津浦路的目的。
与此同时，白崇禧回到武汉向蒋介石报告台儿庄作战经过，并要增援徐州。蒋介石将下列部队在四月二十日以后调到第五战区：李延年的第二军，樊崧甫的第四十六军，卢汉的第六十军，刘汝明的第六十八军，李仙洲（1894—1988，中将衔，黄埔军校第一期毕业。抗战时参加过徐州会战、武汉会战诸役。1946年后任第二绥靖区中将副司令长官，莱芜战役指挥2个军被伏击，瞬间全军覆没，陈诚骂：“就是放六万头猪让共军去抓，三天也抓不完！”1960年11月28日特赦释放。后担当南京黄埔军校同学会名誉会长，1988年10月22日在济南逝世。）的第九十二军。增援的部队几达二十万人。
白崇禧在电话中传达这一讯息时，李宗仁问道：“委员长调了这么多部队干什么呢？”
白崇禧说：“委员长想要你扩大台儿庄的战果。”
“现在已经太迟了。”李宗仁惋惜地说。
白崇禧未尝不知道增援过迟，如果在四月初这些部队就开到徐州周围，那多么好啊！可以一鼓作气，扩大战果，现在显然已失时机了。但为延缓敌进攻武汉，不得不增援徐州。
四月二十六日以后，敌分兵六路，以徐州为中心，作外线的进击；白崇禧于四月二十二日再到徐州协助李宗仁指挥调度。以下是作战经过。
在津浦线南段，敌除以一部犯合肥，牵制我的这方面的兵力外，复以其第九兵团及井关机械化部队，沿涡河出蒙城。同时，阜宁、淮阴方面，亦有敌第三、第一〇一、第一一六师团的活动。五月九日，蒙城沦陷。十二日，敌又陷永城，直趋黄口车站，并以一部进犯徐州，此时蚌埠附近之敌第一〇二、第一〇七、第一一九师团各一部亦逼宿县。
在津浦线北段，济南方面之敌第一一一师团亦向南进犯，五月十一日及十四日，郓城菏泽相继失守。敌又以十六师团一部，由南阳镇西渡南阳湖，攻我鲁西军右侧背；敌第一一四师团又于十四日陷我金乡鱼台。此时李宗仁、白崇禧理解到：为了粉碎日寇“速决”企图，只有把我徐州大军迅速西移。五月十三日，开始行动，五月十九日，宣布放弃徐州。白崇禧于五月二十九日回到武汉。