位于枣庄附近的濑谷启于24日夜收到了“台儿庄派遣队”的请援电报。由于枣庄、郭里集方面受到第52军的攻击，濑谷支队只能抽调约2个步兵中队的兵力，配属2门重炮南下增援，支队主力准备“与郭里集附近之敌进行决战”，令第10联队(约1个半大队的兵力)从临城向枣庄以南运动。增援台儿庄派遣队的2个中队于黄昏前后到达台儿庄，立即遭到第31师的反击。“台儿庄派遣队”队长因两日来伤亡过多，而增援的仅2个中队，仍难完成攻占台儿庄的任务，26日凌晨又向濑谷启发出第二次请援电报：“(1)敌兵力为3个师(城内1、城东1、城西及包围我的1)，城内及火车站附近有列车炮。(2)派遣队等待增援，27日开始攻击。(3)战死20，战伤112，突入城内生死不明者15。”濑谷启在收到此电不久，又收到第10师团师团长矶谷廉介令其“采取果敢之攻势”的电令，当即决定由第63联队福荣真平大佐率仅有的第3大队赶赴台儿庄指挥攻坚。
3月27日，“台儿庄派遣队”得知第63联队已南下增援后，不俟援兵到达，即向台儿庄发起第二次猛烈的攻击，占领了城墙的东北角，一部突入城内。第31师的第186团立即组织反击，双方展开激烈的巷战，终将突入的日军压迫于城内的大庙附近。但第31师损失也大，4天的激战，伤亡约2800人。为利于以后的战斗，池峰城将全师缩编为3个团7个战斗营。这时，第2集团军的第27师已部署于台儿庄以东的黄林庄一带，第30师及独立44旅已部署于台儿庄以西的顿庄闸、万里闸一带，不断与第31师协同，向刘家湖、三里庄等地实施反击。当晚17时30分，福荣真平率第63联队直属队及第3大队到达刘家湖地区。台儿庄形势更趋严峻。
由于台儿庄战情紧急，而第20军团主力仍在枣庄东北山区，并未向枣、峄日军实施与其实力相适应的进攻。
因此第二战区一面向第2集团军总司令孙连仲下达限期歼敌的命令，一面向第20军团汤恩伯下达转用兵力于台儿庄的命令。给孙连仲的电令是：“查台儿庄为徐州前方要地，又为汤军团后方联络要道，关系重要。据报该处附近敌人约一混成联队，我军兵力数倍于敌，早当解决，乃经几日战斗，台儿庄围子反被敌冲入一部，殊深诧异。着贵司令负责严督所部，限于29日前将该敌肃清，勿得延缓致误戎机为要。”给汤恩伯的电令是：“该军团放弃攻击峄县、枣庄之计划，速以一部监视当面之敌，以主力向南转进，先歼灭台儿庄之敌。”此时，孙连仲因汤恩伯、关麟徵等曾有过台儿庄一旦受到攻击，“一日内定可回援”及“坚持三日即算完成任务”等的许诺，因而直接向汤恩伯发出了求援电。大意为：连日受敌猛攻，第31师伤亡惨重，盼以全力攻击敌之侧背，支援台儿庄战斗。汤恩伯当即令：
“第52军应于本晚星夜由傅山、青山一带向南下之敌夹击，并与孙集团军切取联系；第85军应以一部占领云谷山、黄山、马山、神山一带，牵制齐村、枣庄、郭里集一带之敌，主力本晚集结神山、向水泉、猪山一带待命。”
3月28日，福荣真平的第63联队集中兵力，在1个野炮大队、2个野战重炮大队、1个150毫米榴弹炮小队以及30余辆战车掩护下，与昨日突入台儿庄中的第2大队协同，对台儿庄发动了第三次猛攻。第2集团军除以第31师据守台儿庄阵地顽强抗击外，还令第27师、第30师及独立第44旅从东、西向敌人侧翼及后方进行反击。特别是中国空军，在台儿庄战场上首次以9架战斗机直接支援地面部队战斗，对广大官兵的抗战士气鼓舞很大。因而日军仅在炮火准备后刚开始进攻时占领了台儿庄的西北一角，尔后再无进展。但突入城中的日军乘机扩张战果。第31师将所有能够战斗的勤杂人员全部组织起来投入战斗。双方展开激烈的肉搏拉锯战，隔墙相击，逐屋争夺，阵地形成犬牙交错状态。
3月29日，日军第2军司令官西尾寿造见第63联队攻击受阻，而中国军队第20军团又正向南进，第63联队有被围歼的危险，遂令第5师团的坂本支队暂时中止进攻临沂，急向台儿庄方面增援；同时令第10师团濑谷支队主力增加到台儿庄前线。
第五战区见台儿庄形势危急，而第20军团尚迟迟未到，因此在28日夜电令汤军团“迅速南下夹击”。29日夜下达正式命令，赋予汤军团的任务为：
“甲、王军明30日应对峄县之敌佯攻，牵制该敌之南下，但应保持由东向西之原方向。乙、关军明30日应速向泥沟、北洛前进，到达该地后以一部向南洛，协助孙集团军解决台儿庄附近之敌，以主力极力破坏铁路、公路遮断峄县与台儿庄之连络，并与王军协同阻止峄县南下之敌。但王军应保持由东向西之原方向。丙、汤军团长应速向孙总司令密取连络。”
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