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。