新馬橋之線轉移。

2月13日，李宗仁將剛剛轉隸五戰區的張自忠之第59軍調至固鎮附近，接替了第51軍的防地。第51軍撤至西寺坡車站一帶休整。第59軍部署第38師防守固鎮以西瓦疃集至楊店子之線，第180師防守楊店子至固鎮東南徊小樓之線，軍部位於任橋。

此時日軍第13師團主力的大部進至淮河以北。李宗仁命第31軍由淮南鐵路向上窯、鳳陽，令新隸五戰區的第21集團軍第7軍由合肥嚮明光、定遠分別實施側擊；同時要求空軍支援，轟炸蚌埠、臨淮關之敵，迫使日軍將已渡淮北的主力撤回淮南，以加強蚌埠及津浦鐵路的防守。張自忠乘機於15日令第180師和第38師備組成一個加強團，向小蚌埠之敵實施反擊。經戰鬥，收復小蚌埠，淮河以北的日軍全部撤回淮河以南。

2月17日後，津浦路北段形勢趨緊，日軍開始由濟寧向運河以西的第3集團軍進攻。

20日，李宗仁按蔣介石的指示，電令“張自忠即調赴臨城待命”。津浦路南段仍由於學忠的第51軍防守，暫時與日軍隔淮河對峙。

2月上甸，當南線戰場中日兩軍正在蚌埠地區淮河南岸進行激烈的渡河攻守戰鬥時，第五戰區為防止北線日軍乘機南下，遵照軍事委員會的意圖，採取以攻為守的戰術，於2月6日命令第3集團軍向濟寧、第22集團軍向鄒縣、第3軍團向蒙陰發動攻勢。各部分別進行了反擊的準備。

第3集團軍當時仍防守於魯西南地區，總司令部位於曹縣，第12軍駐定陶、城武地區，第55軍駐金鄉。代總司令孫桐萱接受的任務主要是以主力攻佔濟寧，以一部攻佔汶上，爾後向濟寧、兗州間實施側擊，策應主力作戰：目的是確保隴海鐵路的安全和威脅沿津浦路南下日軍的右側翼，相機切斷津浦鐵路之交通。

日軍於1月4日佔領兗州、曲阜，6日佔領鄒縣，11日攻佔濟寧。此時，濟寧日軍為第2軍第10師團第8旅團的第39聯隊主力，約1500人，大部控制於南關，城中守衛部隊約400餘人：汶上日軍為第39聯隊的第3大隊，約500人。第8旅團主力與第10師團司令部位於兗州。孫桐萱於2月10日下令，命第55軍由金鄉向濟寧南關之敵進攻；命第12軍的第22師由定陶經鉅野、嘉祥迂迴至濟寧以北的二十里鋪附近，爾後向濟寧北門進攻，協同第55軍收復濟寧城；命第81軍對汶上之敵進行襲擾。規定2月12日拂曉前到達進攻出發地位，12日開始進攻。

曹福林的第55軍派出一部兵力前進至濟寧西南安居鎮附近運河西岸，進攻開始時僅以第171團及第439團備一部渡河，向濟寧火車站及西關等地進行襲擾，並未以主力實施進攻，不久即為日軍擊退。

谷良民的第22師到達嘉祥以東的運河西岸後，部署以第64旅為主攻部隊，第66旅為預備隊，隨師部控制於運河西岸。第64旅由大長溝透過運河木橋，於12日拂曉前到達進攻出發地位：第127團控制於二十里鋪，掩護主力進攻，對汶上日軍進行警戒；第128團及第129團秘密配置於濟寧北關兩側，旅部推進至興文鎮。

根據事先偵知的情況，本來預定天明後以小分隊化裝成居民潛入城內，然後發起進攻，裡應外合，控制城門，殲滅城內日軍。但日軍已有覺察，當天未開東、西及北城門。第64旅旅長時同然急令北關的兩團改為攀城強攻。

12日22時左右開始用長梯多路同時攀城進攻，傷亡甚眾。後在西北城角處擊坍一段城牆，約有9個連從缺口突人。日軍第39聯隊大佐隊長沼田多稼藏將主力調入城中增援，首先以反衝擊控制了城西北角的缺口，切斷城內外中**隊的聯絡，然後向突人城中的部隊發起圍攻。雙方在北大街及城西北隅關帝廟一帶展開了激烈的肉搏巷戰，逐屋爭奪。突入的部隊孤軍奮戰，彈藥及人員均得不到補充，血戰一日夜，至14日拂曉，9個連的勇士全部壯烈犧牲。

在城北的第64旅殘部，13日23時接到孫桐萱令其向運河西岸撤退的命令，在當地群眾協助下，從北關外小道透過沼澤地轉移至運河東岸，由第66旅接應，用民船渡過運河，到達西岸。掩護撤退的後衛營損失較大，營長戰死；負責接應的第66旅旅長薛明亮亦中彈負傷。第3集團軍實際參加進攻濟寧戰鬥的不過1個旅的兵力。在人員不佔真正優勢、武器裝備處於絕對劣勢的情況下實施攻堅戰鬥，雖然廣大愛國官兵拼死奮戰，仍不可能實現軍事委員會及第五戰區的戰略企圖。

展書堂的第81師於12日夜開始