22日，汤恩伯在台儿庄也曾向池峰城告知上述作战企图，并表示：“设峄县之敌凭借峄县山城固守，则军团之攻略不易得手。31师应诱敌脱离山城，则歼敌易举。”还说：你们与敌接触后一日之内军团即可回援，你师如能在台儿庄坚守三日即算完成任务。池峰城根据上级的意图，决心提前于23日“拂晓向峄县之敌施行佯攻，期诱敌于南、北洛附近而抑留之，待军团主力之南旋而歼灭之”。基于上述决心，22日15时下达作战命令，主要内容为：“(1)第93旅之185团位置于北洛，以一营进至前城、赵庄地区，该旅之便衣队即向獐山、北山、西黄山湖搜索而占领之。旅部率禹营(指第186团第3营禹功魁营)位置于南洛附近，应于明(23)日拂晓后向峄县之敌行佯攻，后逐次抵抗于北洛附近。第188团(欠1营)担任台儿庄之守备。(2)第91旅以181团控置于台儿庄，以182团担任台儿庄运河南岸警戒。(3)师部推进至台儿庄。”
至3月22日夜，第20军团的第52军将运河南岸防务移交第110师后进至向庄地区。第85军已与韩庄、峄县之敌脱离接触，后转移至抱犊崮山区。
3月23日拂晓，第31师师长令旅长乜子彬率1个团向峄县攻击前进。与此同时，日军“台儿庄派遣队”也由峄县出发向台儿庄攻击前进，双方在獐山遭遇。日军击退第31师的骑兵搜索队及击歼第183团的尖兵连后，在泥沟又击退了第183团的前卫营，于当晚占领了北洛。濑谷启于战俘口中得知：峄县周围的部队是中国军队第20军团的4个师；第五战区司令长官李宗仁已命令汤恩伯在峄县东北及北方的山区集结，24日开始攻击，企图将韩庄、临城一带日军压迫、歼灭于微山湖东岸地区；汤恩伯现在向城。于是决定将支队主力集结于临城、峄县，准备与汤军作战，原定支援临沂的部队减为1个大队，对进攻台儿庄的兵力与任务则不变动。连夜下达命令：“(1)支队以一部遣往沂州方向策应坂本支队，主力确保韩庄及台儿庄附近的大运河一线。(2)沂州支队(以步兵第10联队第2大队为基干)24日从临城出发，向沂州方向前进，策应坂本支队作战。(3)步兵第10联队(欠第2大队，配属炮兵等)以一部确保韩庄附近大运河线，主力于临城集结。(4)步兵第63联队(欠1个大队，配属炮兵等)以一部确保台儿庄附近大运河线，主力集结于峄县。(5)支队司令部及直属部队集结于枣庄附近。”
24日，中国空军为支援第20军团进攻作战，拂晓后以轰炸机14架轰炸了韩庄、临城及枣庄的日军，但第20军团并未按预定的时间开始进攻。当晚，军团部及第85军仍在抱犊崮山区中，仅第52军到达了预定的进攻出发地位——郭里集、鹁鸽窝之线。当日，蒋介石至徐州视察，将随行的副参谋总长白崇禧、军令部次长林蔚及厅长刘斐等留第五战区协助李宗仁策划作战。同时令第31师改为防守台儿庄，并增调炮第7团的野炮1个营(有沈阳造仿克鲁75毫米野炮10门)、机械化野战重炮兵1个连(有德国造卜福斯的150毫米榴弹炮2门)及铁甲车第3中队配属第31师，以加强台儿庄的防守火力；还令第31师解除第20军团的配属任务，归还第2集团军建制，由孙连仲统一指挥台儿庄方面的作战。孙连仲于当日进至台儿庄运河南岸的韩家寺，将其第27师由贾汪推进至台儿庄附近，接替第31师河防部队，以加强台儿庄的防守力量。
同日，日军沂州支队开始东进，当晚宿营于枣庄，以约1个中队的兵力为先遣队，进至郭里集，占据了村东北角的大碉楼。“台儿庄派遣队”继续由北洛向台儿庄进攻，中午前后攻占南洛，黄昏时推进至台儿庄附近。台儿庄南靠运河北岸，四周有长约4公里的砖砌城墙，并建有大小碉堡多座，共有6个城门，城西南角的文昌阁为全城制高点。日军以猛烈的炮兵火力摧毁了东北城墙，一度突入城内；在第31师不断反击下，败退城外，遂在北郊一带构筑工事，防御第31师反击及等待援军，作再次进攻的准备。
5日拂晓时，进入郭里集的第52军第25师第75旅之一部与日军沂州支队的先遣中队互相发现。第52军部队立即将碉楼包围，并调来炮兵进行攻击。经战斗后，该日军中队大部被歼，仅十余人突围逃至枣庄。枣庄日军沂州支队在第25师围攻其先遣中队时曾派出数百人进攻郭里集，企图救援，被第25师击退。第52军的第2师从鹁鸽窝向枣庄进攻，但被击退。汤恩伯率第85军主力仍在抱犊崮山区按兵不动，仅令派出1个旅与第52军协同作战，而该旅仅派出1个团、该团又仅派出几个排的兵力在枣庄外围进行了袭扰性攻击，然后又退回抱犊崮山区中。
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