意圖快速突破淮河防禦的獲洲立兵第十三師團主力與于學忠之第五十一軍展開連日血戰，淮河內飄滿了中日兩軍的屍體，河水被一度染成了紅色，第五十一軍所部傷亡甚重。
第五十一軍乃是原東北軍第一軍改編而成，改編之初于學忠任軍長，下轄董英斌第一一一師，李振唐第一一三師，牟中衍第一一四師，熊正平第一一五師，該軍組成後，先後參加了長城抗戰和冀東抗戰後，奉命調往鄂豫皖蘇區和陝甘蘇區，參加了對紅軍的清剿作戰。
雙十二事變前後，有大量的□□黨員秘密加入該軍，成為戰鬥骨幹，雙十二事變之後，張學良被捕關押，東北軍各部得不到蔣介石的信任，於是紛紛被明升暗降的方式進行肢解，于學忠作為張學良的鐵桿嫡系，又因為第五十一軍被軍統認為是被□□分子滲透厲害的部隊，於是被高升任命為江蘇綏靖公署主任，該軍由甘肅調至江蘇淮陰整編，于學忠兼軍長，李振堂任副軍長，原下轄的第一一八師番號撤消，所屬部隊編入第一一三與第一一四師，第五十一軍也從四個甲種師的甲種軍降為了缺編嚴重只有兩個乙種師的乙種軍。
不過五十一的待遇不是最慘的，相比龐炳勳一個軍團之有一個軍、一個師、五個團，于學忠也似乎該偷著樂了，不過也有人比龐炳勳還慘，那就是第十八集團軍，一個軍僅有三個師另一個團的編制，另有新編第四路軍，也是一個堂堂新編第四路軍僅有六個大隊這樣另類的編制？
雖然編制少，缺槍少彈，但是在作戰任務之上，國民政府最高軍事委員會卻並不歧視第十八集團軍和新編第四路軍，給予的任務讓第七十四軍和第五軍這樣的精銳主力都嫉妒羨慕，彷彿第十八集團軍和新編第四路軍一頓飯的工夫就能夠馬踏東京，揚鞭富士山。
只有兩個乙種師的第五十一軍在淮河沿線與日軍第十三師團反覆拼殺三日，六八四團、六七九團就有多達二十一名，任職連、營、團副職務秘密黨員軍官陣亡犧牲。
第五十一軍付出了八千餘人傷亡，六千餘名官兵陣亡的代價後，全軍被迫向後轉移，于學忠的兩個師基本全部被打殘，徹底失去戰鬥力，軍直屬野山炮營與重迫擊炮營被日軍炮火、空襲全部摧毀，全軍給養中斷三日。
而在南線戰場，二月下旬，日軍第二軍在司令官西尾壽造的指揮下，開始分兵向南進犯，東路西尾壽造以板垣徵四郎之第五師從山東濰縣南下，數日內連陷沂水、莒縣、日照，直撲臨沂。
第三軍團龐炳勳所部第四十軍節節抵抗，戰事逆轉之下，李宗仁急調張自忠第五十九軍馳援，張自忠主張以攻代守，第五十九軍主力抵達臨沂北郊的沂河西岸之後，就協同第四十軍向當面日軍實施反擊，激戰五晝夜，第五十九軍傷亡過半，營、連、排長全部更換二遍，終於重創日軍板垣師團，迫其向莒縣撤退整補待援。
然而，西路日軍第十師團所屬瀨谷支隊從濟寧地區迅速西渡運河，向嘉祥毫無準備的中國守軍發起進攻，日軍的突然襲擊遭到第三集團軍頑強抵抗，孫桐萱所指揮的第三集團軍因為受到韓復榘被槍決的影響，全體官兵知恥而後勇，當即與日軍瀨谷支隊展開了少有的野戰對攻，中日兩軍官兵與曠野搏殺竟日，在日軍的地空火力下中國第三集團軍所部官兵採用密集的人海戰術最終突破日軍陣地，混戰一夜誓將瀨谷支隊擊潰，但是十七比一的傷亡也讓第三集團軍元氣大傷。
傷亡千餘人的瀨谷支隊進攻受挫之後，立即調整部署，將瀨谷支隊主力轉向沿津浦鐵路南進，第十師團主力與瀨谷師團匯合，師團長磯谷廉介準備由瀨谷啟步兵第三十三旅團為主力，加強特種部隊，重新組編瀨谷支隊，由鄒縣以南的兩下店進攻滕縣。
磯谷廉介所謂的特種部隊，並非高飛口中的特種部隊，在二戰時期，世界很多國家都延續一戰