1938年1月7日，川军二十二集团军经徐州沿津浦路北调。就在这时，川康绥靖主任、四川省政府主席刘湘病逝，邓锡侯回川接任，孙震升任二十二集团军总司令，同时兼任四十一军军长。
虽然号称集团军，但孙震的总兵力实际上只有2万多人。
川军奉命北调后，迅速开赴徐州以北的临城（今薛城）、滕县一带守备。总司令部设在临城。
此时，日军矶谷师团已经进入泰安一带，其下属的福荣联队占领邹县以及邹县以南的两下店。不过，邹县与两下店之间是个空白地带，我游击队在这里活动自如。
邹县和两下店的日军忌惮游击队，用铁丝网将营地团团围起来，不敢轻易外出。
邹县的日军不多，为了虚张声势，使起“障眼法”，每天在四面城门上张贴一张大红纸布告，上写“大军明日到此”，夜幕降临时，把数十辆炮车悄悄拉出城外，次日白天再将炮车拖入城中，给人造成每天有新炮进城的错觉。
孙震摸清这些情况后，做出判断，日军沿津浦线南进的部署尚未准备好。
于是，他下令部队趁日军立足未稳之际，于2月中旬向两下店等地发起一次攻击。
2月13日下午，寒风凛冽，彤云密布，雪花开始在空中飞舞，一二五师兵分两路，一路以三七三旅主力向两下店方向逼近，另一路绕攻邹县北关。
14日，七四六团与地方抗日武装红枪会的数百人会合，利用夜色掩护，突破两下店日军阵地的外壕和铁丝网，逼近日军主阵地，七四五团则占领铁路及右侧高地做掩护。
由于日军工事坚固，火力猛烈，七四六团两次进攻均未得手，只好撤回原守备阵地。
15日，日军向邹县增兵，借助十多门大炮的火力，先后向我峄山、郭山阵地发起猛攻，用排炮向七四五团阵地发射数百发炮弹，七四五团官兵机智地转移到山梁背后的隐蔽处，结果只打死一只野兔，人员无一伤亡。
敌炮轰过之后，官兵们迅速回到阵地加强工事。夜晚，日军发起进攻，一方面用大炮和步兵在正面进攻，一方面用坦克开路，由郭山两侧抄袭七五四团阵地后翼，浓烈的火药味充满整个阵地。
在此紧急时刻，三七三旅旅长林翼如亲赴郭山前线指挥，七四五团官兵凭借工事居高临下，用重机枪和手榴弹打退敌人的进攻。
16日，七四六团继续向两下店发起进攻。为了避免在雪地移动目标明显，战士们反穿棉衣，白布衬雪。由于两军装备悬殊，七四六团遭到日军猛烈炮火，连攻3个小时，仍无进展。
团长谭尚修急了，选派3个连组成敢死队，在重机枪掩护下短兵相接，苦战一天一夜，双方伤亡都很严重。战至次日凌晨3时，七四六团400余人壮烈牺牲，剩余的360多人被迫突围撤退，撤至距两下店约5华里的郭山。
日军连续两日增兵两下店，持续进攻郭山和驿山阵地。七四五、七四六两团浴血奋战，伤亡甚重。阵地几经易手，失而复得。一二五师师长王士俊率七四九团和一二七师的一团，从界河出击牵制敌人，掩护两团撤出战斗。
与此同时，三二七师七五七团战果不菲。在团长王文拔的率领下，七五七团奉命由禹城向曲阜、邹县之间挺进，到曲阜、邹县之间的敌后山区开展游击战。
2月14日上午，他们伏击一支日军视察队伍，击毙矶谷师团的少将田岛荣次郎。同日下午，他们又在凫村附近击毙25名日军，而自身却无一伤亡。
消息传到曲阜、邹县，日军指挥部恼羞成怒，派出兵力由曲阜朝小雪村扑来。七五七团预先占据有利地形，居高临下，打得日军四处逃窜，龟缩回曲阜城去。
曲阜、邹县的日军不甘被打，15日再次出动，分头向小雪村、凫村扑来。
七五七团早已从凫村转移，但还没来得及从小雪村撤走，被敌包围，一阵激战之后，成功突围。
二十二集团军此次行动，虽然没有攻克两下店，但四处伏击日军，令日军不敢贸然行动。
3月上旬，日军在邹县地区集结完毕。矶谷接到命令，消灭大运河以北的中国军队。板垣也接到命令，占领沂州（即临沂）后进入峄县附近，配合矶谷师团作战。
3月14日拂晓，矶谷师团漱谷支队的3600余名步、骑兵，在飞机、坦克掩护下，分四路进犯二十二集团军普阳山、黄山、界河、石墙等阵地。川军将士奋起还击，壮烈的滕县保卫战正式开始。
黄山阵地是日军进攻的重点，日军从两翼对黄山实施包围。在飞机的轰炸和炮火的轰击下，黄山阵地当天下午3时即被突破，死守黄山的川军一个连全部阵亡。
日军继续进攻金山、后屹村、张庄、九山庄、王福庄等一二七师主阵地，来势凶猛，妄图一举拿下。川军官兵还以颜色，力阻日军。
日军变更部署，分兵千余，绕到一二七师右侧的龙山和普阳山间，实施偷袭。师长陈离及时察觉，亲自率领一个营前往堵截。
日军又增援千余兵力，并有大批迂回部队，截断滕县至界河公路。一二七师主力退守龙山，以一支部队向柳泉庄之敌尾击。
守卫普阳山的是一二五师部队，在日军的猛烈进攻下，部队伤亡很大，阵地被日军突破，致使界河阵地被日军包围，腹背受敌，战斗异常激烈。
孙震得知界河正面阵地危急后，立即抽调位于滕县的总预备队一二二师三六四旅的两个营，以及收容的一二七师数百人，在北沙河配备第二线阵地。
同时，一二四师三七二旅占领大坞村、小坞村等阵地，阻止日军向左翼包围。
如此一来，担任滕县城防的部队，只剩下三六四旅的一个营，以及从石墙退回的一二四师三七零旅的一个营，兵力十分薄弱。为确保城防，一二二师师长王铭章命令驻守太平邑的三六六旅增防滕县。
3月15日，孙震接到蒋介石和李宗仁的电令，要求二十二集团军竭力死守，争取时间，以待增援。孙震立刻将命令传达到各部，要求全力死守滕县城。
拂晓时分，日军的机械化部队两千余人向川军北沙河阵地推进。三六四旅七二七团当面迎击，敢死队潜伏在铁道两侧，用手榴弹炸毁日军五六辆坦克，并破坏道路。
日军步兵失去掩护后，战斗力骤减。七二七团集中机枪火力密集扫射，日军死伤惨重，无法前进，双方形成对峙状态。
到中午，日军后续部队蜂拥而来，人数达上万人，从龙山向南运动。午后一时，川军界河阵地被突破，守卫界河的一二七师部队被迫从左翼南撤。
两处日军会合后，向龙山一二七师三七九旅和一二五师三七三旅包围攻击，双方鏖战激烈，多次贴身肉搏，阵地几度易手，遍地都是尸体。在日军强大火力下，下午2时30分，龙山阵地失守。
孙震命令从龙山撤下的部队，退守到龙阳店、北明、东郭一带，掩护北沙河阵地的右侧，作为滕城外围的最后支撑。
然而，川军在转进时，被日军死死咬住，根本来不及构筑工事，只好在城头及以南的高地布防。这时，三六六旅旅长童澄率两个营兵力向滕县急进增援，当部队行进到长巷村附近时，遭遇日军。
日军坦克左冲右突，将川军部队冲散。激战一个小时左右，川军退至官桥，经过短暂收容整顿后，继续奔向滕县，没有走多远，再次被日军缠上，营长严翊瞅准一个空子，率领本营突围，继续向滕县前进，其余部队被迫向峄县方向转进。
下午5时，严翊营到达滕县东关，担任东关外防务。晚8时，日军从东沙河方向进犯。夜里，日军在炮火掩护下，多次发起攻击，都被严翊顽强击退。
川军自开赴山东战场之后，以其严明的组织纪律、饱满的精神面貌、融洽的军民关系、英勇顽强的战斗意志，还有悲壮惨烈的牺牲，一扫初出川时的狼狈形象，令国人刮目相看，甚至引起外国记者的关注。
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