1938年3月，日军矶谷廉介第10师团大举向鲁南入侵，相继攻占滕县、临城、峄县等要点，直逼徐州东北津浦路支线重镇台儿庄。中国军队第五战区司令长官李宗仁在军委会指导下，决心以收复鲁中广大地域为目的，以一部在运河沿线取攻势防御态势，以主力由峄县东南方及东北方山地侧击南下之敌，聚歼其于津浦路临枣支路与韩庄运河间地区。
第五战区预定采取攻势的主力部队由中央军系统的汤恩伯第20军团担任。根据战区作战计划，以汤恩伯第20军团配属孙连仲第2集团军一部，集中主力于峄县东侧及枣庄西北方焦山头附近一带山地，于3月24日拂晓全线开始攻击，务必先击破峄县、枣庄之敌，向临城、沙沟两地附近侧击，压迫日军于临城以南的微山湖东岸而歼灭之。
然而日军第10师团所属濑谷支队第63联队一部已南下进击台儿庄，于3月23日同中方防守台儿庄的孙连仲第2集团军部队发生战斗。日军凭借火力优势猛烈进攻，双方在台儿庄外围进行了反复争夺。
那么，汤恩伯军团预定3月24日发动的反攻又效果如何呢？
很不巧，3月23日枣庄、峄县地区天降暴雨，地面十分泥泞。汤恩伯军团的第85军、第52军连夜开进，行动困难，速度缓慢。24日拂晓时，汤恩伯军团各部都没能按时抵达攻击出发地。在李宗仁的要求下，中国空军第3大队所属第7、8中队出动14架苏式伊16战斗机配合汤恩伯军团作战，于当日拂晓对韩庄、临城、枣庄的日军进行了轰炸。因该型战斗机不适合执行轰炸任务，临时加挂了几枚小炸弹，没多大破坏效果，主要起吓唬日军和鼓舞己方士气的作用。一直到了24日入夜，第85军、第52军才基本完成攻击准备，但这宝贵的一天已然失去，未能同台儿庄方向友军形成协同作战。
因从青岛南下取临沂的日军板垣征四郎第5师团受到中国军队张自忠、庞炳勋部顽强阻击，形势吃紧，因此第10师团奉令从濑谷支队抽出赤柴八重藏第10联队东进支援第5师团作战。3月24日黄昏，日军第10联队先头第2大队2个步兵中队和1个独立机关枪中队、1个独立装甲车中队到达郭里集村。这是一个较大的村庄，村周围筑有几个土碉楼，较适合防御。这股日军派出警戒侦察，其余人进村后强占了土碉楼和民户宿营。后大队长加村少佐得到侦察报告，周围有小股中国军队活动，他便派1个小队出去搞偷袭，另1个小队前出警戒。
到了深夜，汤恩伯军团第52军所属第25师先头第73旅前卫团也进至郭里集村，因部队连日行军非常困乏，搜索和警戒工作都没有做好便倒头睡觉。日军则发现了中国军队，立即派人回枣庄报信，其余人员躲在碉楼里做好战斗准备。25日早晨，中国士兵才发现村庄内竟然有日军，双方立即展开激战。这股日军虽然人数劣势，但装备好，火力较强，又占据碉楼有利地形，中国军队伤亡了不少人也没能得手。第52军军长关麟征接到报告后，立即派出配属的1个野炮连增援郭里集。第73旅旅长张汉初也加强兵力攻击郭里集村，甚至同日军展开激烈白刃战，步步压缩守敌。
25日凌晨，王仲廉第85军按计划开始行动，所属陈大庆第4师在张雪中第89师掩护下向枣庄发起三面围攻。日军1个步兵大队配属战车、火炮，占据中兴煤矿公司及数座碉楼进行抵抗。经过激烈战斗，第4师部队相继夺占中兴煤矿公司水塔、中兴中学和东、西、北侧3座碉楼，歼敌一部，并继续同城内守敌进行巷战。入夜后，第4师又攻占了枣庄煤矿。
在枣庄指挥濑谷支队的第10师团第33旅团长濑谷启接到报告，枣庄和郭里集方向都打响了，而且对方人数很多战斗力也较强，判断是遭遇了汤恩伯军团主力，其意在反攻。濑谷启不敢大意，连忙取消了援助第5师团攻击临沂的行动，命令第10联队主力急速增援郭里集，又令驻峄县的第63联队解救郭里集友军和南下攻击台儿庄。第63联队长福荣真平得到命令后，抽出2个步兵中队并携带2门150毫米榴弹炮先行增援台儿庄，自己亲率第3大队和1个独立机关枪大队、1个独立装甲车中队及炮兵、工兵等部紧急开赴郭里集解救友军。
这下郭里集的战斗越打越大。25日上午增援郭里集的一部日军就已赶到，被第25师戴安澜第75旅挡在外围，双方持续进行激战。郭里集战斗一直打到下午16时左右，第73旅在野炮连支援下一一摧毁碉楼，终于击溃村内日军，歼敌大部，并俘虏一名负伤的中士。郭里集战斗尽管重创了日军第10联队第2大队，但也耽误了向峄县发动反攻的时间。
根据审问俘虏，基本弄清了对方的部队番号和作战意图。关麟征判断日军很快就会向郭里集地区发动大规模进攻，此时若按原计划攻击峄县便会遭敌夹击，恐陷于不利。于是他改变计划，命令第25师留下2个连在郭里集牵制日军，师主力转移至郭里集东北山地隐蔽。
3月26日，大队日军果然扑向郭里集村。第25师留守的2个连且战且退，损失大半后终于脱险。第52军第2师因山地崎岖泥泞，前进速度慢，26日拂晓才赶到预定进攻出发地区。但此时负责主攻峄县的第25师已经撤退，第2师遂与小股日军战斗后脱离接触，转而对枣庄方向警戒。
攻占郭里集后，福荣真平即率本部南下增援台儿庄。赤柴八重藏指挥第10联队主力向郭里集东北面山区搜索中国军队，未能寻到踪迹，于是回援枣庄。王仲廉第85军遂遭到很大压力，日军在重炮、装甲车和飞机支援下凶猛扑来，第4师夺取的阵地又一一丢失，被迫转入守势。
此时，李宗仁担心台儿庄守军的压力太大，而汤恩伯军团未能夺取枣庄、峄县，与敌胶着，徒然无益，于是命令汤恩伯军团停止对枣庄、峄县的反攻，将兵力转用于台儿庄方向，以配合孙连仲集团军将庄内日军歼灭。
此时汤恩伯也判断尚不能夺占枣庄、峄县，鉴于作战重心已转向台儿庄，便遵从战区命令，于27日夜调整部署：以关麟征第52军先行南下支援台儿庄作战；王仲廉第85军转向抱犊崮山区与敌人周旋，牵制日军第33旅团部和第10联队的行动；同时以一部兵力保持对枣庄、峄县的警戒。这样，第85军于28日同日军脱离战斗，转向东北山区隐蔽待机。
当枣庄、峄县方向压力消失后，日军濑谷支队得以加强兵力兵器南下台儿庄，从而引发了一场壮怀激烈的血战。
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