电话打到了徐州长官部。参谋处长黎行恕深感事大，不敢做主，乃请示参谋长徐祖贻。徐祖贻将军更感事情重大，事关全局，便及时通报给李宗仁。长官部里，李宗仁上将坐卧不宁。他利用日军骄狂轻敌的心理在台儿庄设下圈套，让孙连仲把矶谷缠住，往口袋里拖。待台儿庄守军把日军消耗得差不多时，再让中央军之骄子汤恩伯军团秘密南下，从日军背后发起攻击，扎住口袋，把矶谷师团吃掉。
孙连仲部池峰城师已伤亡七成，把矶谷消耗得精疲力竭了，但这时负责扎袋口的汤恩伯军团却跟他捣起蛋来。李宗仁虽三令五申命汤部火速南下，但汤恩伯推三阻四，仍在姑婆山逡巡不前。如果汤部不能及时赶到，孙连仲集团付出的重大牺牲将无意义不说，矶谷师团用不了多久便能喘过气来直捣徐州，那样的话，整个鲁南会战将致惨败，武汉也势必难保。
这时，他不得不求助于蒋介石。蒋介石从全局出发，也急切希望李宗仁能阻住强敌，使武汉方面有时间布防，遂授予李宗仁生杀予夺之权：对抗战不利者可“先斩后奏”。
4月2日，已失去耐心的李宗仁在仍未得到明确答复的情况下，对汤恩伯训斥道：我已受武汉之命，如有所属再不听军令，致误战机，当照韩复榘的前例严办。汤恩伯受到震慑，这才答应迅速南下。李宗仁预计汤军团于4月4日可进至台儿庄北部，因此命令参谋处告知孙连仲集团，必须死守，决不许后撤。没多久，孙连仲又来了电话，李宗仁接过听筒，只听孙连仲说：“报告长官，第2集团军已伤亡十分之七，敌人火力太强，攻势过猛，但是我们把敌人也消耗得差不多了。可否请长官答应暂时撤退到运河南岸，好让第2集团军留点种子，这也是长官的大恩大德！”
李宗仁早与张自忠等一些西北军将领有过接触，深知这些西北汉子忠厚老实。若非不得已，孙连仲的话绝不会说得如此哀戚。但他预算汤恩伯军团明日中午可至台儿庄北部，第2集团军如于此时放弃台儿庄，岂不功亏一篑。因此对孙连仲说：“敌我在台儿庄已血战一周，胜负之数决定于最后5分钟。援军明日中午可到，我本人也将于明晨亲来台儿庄督战。你务必守至明天拂晓。这是我的命令，如违抗命令，当军法从事。”
孙连仲和李宗仁仅在孙奉调来5战区增援时，在徐州有一面之缘。此时李向他下这样严厉的命令，内心也很觉难过，但是李宗仁深知不这样，便不能转败为胜。孙连仲见长官已铁了心，态度如此坚决，便说：“好吧，长官，我绝对服从命令，整个集团军打完为止！”在电话中，李宗仁进一步指示说：“第2集团军不但要守到明日拂晓之后，今夜还须向敌夜袭，以打破敌军明晨拂晓攻击的计划，则汤军团于明日中午到达后，我们便可对敌人实行内外夹击！”
孙连仲一听，全军不但不能后退，精疲力竭之际还要乘夜反击，当下诉苦道：“预备队已全部用完，夜袭甚为不易。”李宗仁说：“我现在悬赏10万元，你将后方凡可拿枪的士兵、担架兵、炊事兵与前线士兵一齐集合起来，组织一敢死队，实行夜袭。这10万块钱将来按人平分。重赏之下，必有勇夫，你好自为之。胜负之数，在此一举！”
孙连仲叹口气复命道：“服从长官命令，绝对照办！”扔下电话后，孙连仲来到台儿庄亲自督战。死守最后一点的池峰城师长，又来电向他请求准予撤退。孙连仲命令道：“士兵打完了你就自己上前填进去。你填过了，我就来填进去。有谁敢退过运河者，杀无赦！”池峰城闻言愣住了，31师所剩不多的官兵们惊呆了。此刻，从师长至下级士兵，深知军令不可违，乃以必死决心，逐屋抵抗，任凭敌人如何冲杀，也死守不退。
幸运的是，到黄昏，精疲力竭的敌人停止了进攻。及至午夜，我军先锋敢死队数百人，分组向敌反冲击，杀入敌阵。敢死队人自为战，奋勇异常，部分官兵手持大刀向敌砍杀。敌军血战近10日，已精疲力竭。想不到战至此最后5分钟，中国军队还有力气乘夜出击。敌军仓皇应战，乱作一团。血战数日为敌所占领的台儿庄市街，竟为池师敢死队一举夺回3/4，毙敌无数。敌军退守北门，激战通宵。
午夜时分，第5战区长官部忽然得报，汤军团已向台儿庄以北迫近，天明可到。午夜以后，亢奋不已的李宗仁睁着布满血丝的双眼，率随员十多人，搭车到台儿庄郊外，亲自指挥对矶谷师团的濑谷、板本两旅团的歼灭战。
先前在右翼的板垣第5师团，临沂兵败退到莒县后，李宗仁见日军在右翼的威胁减小，而左翼台儿庄方面压力增大，便于3月20日抽调张自忠部向东支持台儿庄战斗。当张自忠的部队刚刚向东调走，日军的板垣师团就得到酒井旅团的支援，便立刻反扑，于23日再向临沂发动猛攻。庞炳勋部守军伤亡甚重，形势又告危急。第5战区再令第59军星夜驰援临沂。3月24日，该军赶到临沂西，向日军侧背发起进攻，并派出一部增援庞部确保临沂。敌凭借优良装备，全力反扑。第59军奋战至29日，敌损失惨重。张自忠下令全线出击，日军被迫撤退。正当在临沂鏖战之际，从青岛驰援板垣师团的板本旅团赶到。这时在左翼台儿庄作战的矶谷第10师团已经面临被围歼的危险，因此日本华北方面军越级直接指挥板本旅团，命其不得投入临沂作战，立刻全速向西转进，以解救矶谷部队。3月29日，板本旅团奉令以急行军方式脱离临沂向西转进，经向城朝台儿庄阵地急攻，一下子就冲到汤恩伯部的侧背，差点把汤恩伯部给反包围起来。汤恩伯当机立断地重新打开口袋，命令52军向东移动，让板本旅团进入台儿庄战场。就这样，板本旅团作为濑谷旅团的陪葬者，一起走进了李宗仁设计的包围圈。
黎明时分，台儿庄北面炮声越来越密，汤军团已在敌后出现，敌军撤退不及，陷入重围。李宗仁身着上将戎装，精神抖擞地亲自指挥台儿庄一带守军全线出击。台儿庄内外几十里一时杀声震天。敌军此刻已成强弩之末，弹药汽油用完，机动车辆多被击毁，面对中国大军的内外夹击溃不成军。中国军队大获全胜，士气极旺。全军向敌猛追，如疾风扫落叶，锐不可当。矶谷师团长率残敌万余人突围窜往峄县，闭城死守，已无丝毫反攻能力。台儿庄之战至此以中国军队全胜之局结束。
台儿庄会战自3月23日开始，4月7日结束，歼敌第5、第10两个精锐师团大部万余人，中国军队伤亡近两万人，取得了抗战以来军事上的重大胜利，打破了日军不可战胜的神话。
身在武汉的蒋介石长长地舒了一口气，李长官长长地舒了一口气，全国人民长长地舒了一口气。台儿庄的胜利，使蒋介石的头脑开始发热，利用徐州再打几个“台儿庄大捷”的想法油然而生。于是，他向徐州战区频频调兵。
继75军和92军开到徐州后，4月20日，樊崧甫的46军和卢汉的60军也奉调到徐。李宗仁便调这两军到运河两岸，加强沿岸的防御兵力。不久，李延年的第2军和晋军商震部的一个师也到达徐州加入东线。谭道源的22军也尾随而至，加入徐州西北微山湖一带的防线。接着石友三的69军、冯治安的77军、刘汝明的68军也先后到达徐州。
不到一个月，蒋介石派来的援军几乎有20万人，与第5战区原来的军队合计不下60万人。而白崇禧从汉口军令部打电话告诉李宗仁说，委员长还在继续调大军增援。
李宗仁哭笑不得，他简直弄不明白蒋介石想干什么，他当初刚到第5战区，老蒋到处哭穷，只给他些武器装备和人员素质低的地方杂牌部队，要不台儿庄战果也可能更大些。但今日战机已过，却把这60万人放在大平原的中心徐州，这不是等着让强大的机械化日军吃吗？
日军在台儿庄与临沂的失败，不但震动了华北方面军，更让日本的大本营感到震惊。华北方面军绝对没有想到，南侵的日军在大胆地越过禁制线之后，左右两翼的部队竟然双双败绩。而日军大本营更是对于华北方面军不听号令而感到震怒，但也不得不承认既成的事实，设法支援深入中国军队阵地的日军。