二十四日凌晨五时，黄樵松的第二十七师从山东与江苏交界处的柳泉、汪贾地区徒步向台儿庄开进，辎重营及兵站则由火车车运台儿庄南站。黄昏时分，第二十七师全部抵达并在规定地域展开：第七十九旅在铁路以西，第八十旅在铁路以东，师部与直属队在台儿庄以西约十公里处的贾桥。午后，集团军总司令孙连仲命令第二十七师，以一个营接替第三十一师的运河防线阵地，其余部队皆立即开赴台儿庄“暂归池师长指挥”。
午夜，白崇禧在孙连仲的陪同下来到第二集团军指挥部。了解敌情与战况后，白崇禧认为：“敌将以一部牵制我汤军团，而以主力攻略台儿庄，以崩坏我迁回军之旋转轴。”——我诱敌部队变成了敌主攻目标，我主攻部队变成了敌牵制对象，第五战区精心策划的“轴回旋”计划，于作战发动之际其“轴”就已“崩坏”了。临走，白崇禧嘱咐池峰城师长：“台儿庄乃徐州屏障，今此要点，已非汤军团之旋转轴，乃战区旋转轴也，期能三日守，俾战区获得时间余裕，敌可就歼也。”
同是这天晚上，濑谷启收到了台儿庄派遣队受到攻击请求增援的电报，他当即派出两个中队携带两门重炮南下增援台儿庄。日军第十师团长矶谷廉介得知台儿庄派遣队受挫后，决定由第六十三联队福荣大佐率领第三大队赶赴台儿庄指挥攻坚。
除了死守台儿庄之外，孙连仲已没有别的选择，但他知道进攻是防御的最好手段。二十五日凌晨二时，他命令部队北出向台儿庄外围的日军实施反击。在漆黑的夜色里，一八六团一部佯攻孟庄，主力则向园上村实施反击，日军据守在园上村的民房和碉楼里，反击部队因遭到炮火杀伤而无大进展。一八五团一部攻击裴庄的日军，经过激战双方形成对峙。一八二团向沧浪庙方向的反击取得成效，日军开始向园上方向撤退，一八五团乘机攻占了裴庄。中国官兵从缴获的文件中得知，日军第六十三联队第三大队已经到达战场。
凌晨四时半，第三十一师师长池峰城发布命令：一八一团固守现位置，主力在台枣铁路线东侧，于日军南进时实施侧击，同时把台儿庄以北刘家湖附近的公路尽量破坏；一八六团参加反击作战的部队尽快回撤，加强台儿庄内城防工事；一八二团回撤北车站，作为全师预备队；炮兵七团占领并开设炮兵阵地。之后，池师长亲自带领铁甲第三中队出台儿庄向北，于凌晨六时抵达南洛村北端，然后指挥炮兵向北洛及刘家湖的日军据点开始轰击——“敌顿形惊慌混乱，杀伤甚大，敌旋以炮还击，伤我士兵两名，机枪一挺，即撤回车站。”
天亮了。
日军在飞机轰炸和炮火轰击后，猛攻南洛附近中国守军阵地。第三十一师两次北出台儿庄增援，依旧没能抵挡住日军步兵的冲锋，南洛北面的阵地失守，守军两个连的官兵全部阵亡。接着，南洛以东的刘家湖阵地失陷。为争取主动，第九十三旅旅长乜子彬率一八五团向南洛攻击前进。上午十时，部队行进到刘家湖附近时，乜旅长发现村东北的小树林里有日军的炮兵阵地，大约十门火炮正疯狂地向台儿庄方向轰击，三营营长高鸿立决心把那十几门大炮夺到手。
高是农民出身的军人，性格刚直粗犷，一向作战勇敢果决。马上在麦田里集合全营部队，指着那片小松林说：“你们瞧，轰炸我台儿庄的炮弹，都是从那里发射的。我们要把狗日的那十几门炮夺回来，杀杀鬼子的威风！你们敢不敢？”
话音刚落，高鸿立忽地把上身的棉军衣和衬衫全脱下来，左手握着手枪，右手举起大刀，赤胸露臂，以洪亮的声音喊道：“敢随我去夺炮的要像我一样！”话未说完，全营官兵霎时间全把上衣脱得精光，端着上了刺刀的步枪，在高营长率领下，白光闪耀，直向小松林冲去。敌人见此情景，惊恐万状，一面以步枪向我高营阻击，一面拉出炮车掉头向东遁逃。高营官兵一片喊杀声随后追击。
正在追击中，北面突然出现日军的千余步兵和二十多辆坦克，见到自己的炮兵被中国军队追得在麦田里狂奔，日军坦克立即迎着高营长的部队冲过来。中国官兵没有打坦克的武器，很快就被日军冲散，各自为战地与日军步兵厮杀在一起。一八五团团长王郁彬闻讯，率一营和二营赶去增援，于是，一场更大规模的肉搏战在麦田里展开。喊杀声、枪弹声、坦克的轰鸣声和刺刀的碰击声汇成一片。双方血战两小时，待旅长乜子彬前来解救时，王郁彬团长的大腿被子弹洞穿，高鸿立营长头部负伤，一营和二营营长都已阵亡，一八五连以下官兵阵亡了一半以上。——尽管一八五团付出了巨大代价，“但使一向骄横的日寇认识到中国人的骨头还不是他们想象中的那样好啃的”。
外围的受袭，并没有阻止日军攻占台儿庄的决心。
二十五日下午，在日军猛烈的炮击下，台儿庄北门以及附近寨墙“倒塌数丈”，日军步兵从缺口处向庄内猛突。为减缓庄内守军的巨大压力，台儿庄外围部队奉命发起侧击，由于火力弱势没能减缓日军的强攻，台儿庄北门最终被突破，两百余名日军冲进了进来。守寨墙的一八六团官兵奋力反击，以四百余名官兵伤亡的代价将缺口封堵，但一部分日军被堵在了庄内的大庙里。这是台儿庄城内的一座城隍庙，楼高院深，里面长满蒿草，中国士兵放火将草点燃，致使大庙燃起熊熊烈火，窜进来的日军官兵全部被烧死在里面。
这一天，战场上终于传来了汤恩伯部的消息：集结在枣庄以东的关麟征的第五十二军第二十五师第七十五旅一部，与濑谷启指挥的日军沂州支队前锋小部队发生了战斗；第五十二军的第二师也从鹁鸽窝方向对枣庄发起攻击，激战两昼夜后一度占领了大部市区，但随即便遭遇了增援日军的强力反击。师长郑洞国向汤恩伯求援，汤恩伯率第八十五军主力仍在抱犊崮山中，接到电报后仅派出一个旅，这个旅又只派出一个团，这个团也就派出了几个排，在枣庄外围骚扰一番就撤走了。关麟征军长怒火中烧：“汤先生是我们的老长官，对我们也玩弄这一手，实在太不应该。”但是，汤恩伯给李宗仁发去电报报告的却是：“枣庄之敌约一联队，经我第四师猛攻后，即退入枣庄大部之中兴煤矿公司顽强抵抗。该公司房屋坚固，敌并设外壕电网，不易攻击。枣庄西部均为我占，并经火焚烧敌战车七八辆。刻乃激战中。经饬该师如再不能奏效，即以一部对敌监视，主力仍撤回枣庄以北高地，本晚再行攻击，并一部进出枣庄南端之铁路线上夹击之。峄县县城及其附近有敌三千余人。关军昨晚已开始攻击，请饬空军迅速前来轰炸枣庄之中兴公司及峄县县城。”——汤恩伯明知台儿庄正遭受日军持续猛烈的攻击，却按兵不动，反要空军来轰炸他的部队所在战场上的日军。
台儿庄中国守军在数量上是日军的五倍，但装备上却与日军相差甚远。日军除了有大量飞机助战外，重型火炮的优势十分明显，步兵还配属了大量坦克。孙连仲部既没有坦克，也没有反坦克武器，官兵们只能依靠血肉之躯阻击日军的进攻。台儿庄镇面积不大，回旋的余地很小，庄内也没有可以利用的高大坚固的建筑物。在日军凶猛火力的轰击下，寨墙一次次地被突破，守军填补缺口变得越来越艰难，往往需要付出巨大的代价。台儿庄内的民居，大多由石块砌成，日军突进来占据一座民房，这座民房就会变成一座地堡，中国守军很难一一清除。但对于日军来讲，中国守军誓死不退，即使突进去部分步兵，也会遭到毫不犹豫的反击，在逐街逐屋的巷战中，突进去的士兵面对中国守军的顽强拼杀，很难扩大战果。在台儿庄这个狭窄的地域里，双方都无法投入更多更密集的兵力，镇内的短兵相接也使日军的优势火炮无法进一步发挥威力。攻击者意志强硬，守者寸土不让，双方在这个运河边的小镇内外进行的犹如一场永无休止的拉锯式肉搏。
二十六日，台儿庄依旧处于混战之中。
早晨七时，园上村附近的日军炮兵开始向台儿庄轰击，步兵在炮火准备后再次强攻北寨墙。两个小时后，台儿庄北门再次被日军突破，一股日军又窜入了镇内的城隍庙。昨天，中国守军在这里放火烧死了数名日本兵，现在荒草已经烧光，再放火也无济于事，日军坚守在里面无论如何不出来。北门的缺口越来越大，涌入的日军越来越多，台儿庄守军开始内外受敌。——“我守兵塞街巷，抛瓦罐，掷家具，折栋倾墙以堵击，在敌炮击下死伤累累，城内始步步荆棘，卒遏制敌之进展，而敌亦自毙于轰击者甚重。”
傍晚，台儿庄的东面被日军占领。
中国军队据守着西面，与日军形成对峙。
第三十一师紧急调整守城部署：一八一团在西关归乜旅长指挥，一八二团在北站，一八五团在土城，一八六团坚守半边台儿庄。同时宣布：负伤但没有致命者，擅自脱离战场，杀无赦。——这一天，第三十一师守军死伤达千人以上。
晚上，乜旅长视察台儿庄守军阵地，他对官兵们说，现在是巷战阶段，巷战全凭手榴弹和大刀，这是咱们拿手的，也是敌人害怕的。只要保持旺盛的士气，就可以与敌人拼一阵子。为了防止日军放火，须把我军占据的民房草顶全部拆除。还可以大量使用民房里的木料和杂物——“向不忍于民者，今民已尽，任君放手为之。”同时要充分利用火攻制敌：“多备棉油弹，着火弯弓以射之。城中油商花行有余裕矣。”
入夜，一八五团团长王郁彬命令禹功魁、汝心铭、古文照和秦应岐的四个营，各配属一个工兵小组和两门迫击炮，向占据台儿庄东面的日军实施反击。四个营的八门迫击炮，首先轰击了日军的火力制高点碉楼，一口气打出五十多发炮弹，然后各营开始出击。日军顽强抵抗，中国官兵前赴后继，双方都不顾生死，最后一八五团的反击成果仅仅是夺回了三个民居院落。营长禹功魁由于作战勇猛，当场升任一八六团团长。
这时候，奉白崇禧之命从开封开来的战防御炮连抵达台儿庄。这种新式大炮中国军队仅仅装备了两个连，虽然每个连只有两门大炮，却都是德国制造的大口径榴弹炮，还附有加农炮炮筒，射程达到两万米以上，且有现代化的通讯指挥系统，是当时中国军队中最强大最新式的重炮。池峰城师长立即命令战防御炮连开设阵地投入作战，四门重炮果然火力非凡，直打得日军“晕头转向，莫知所措”。
二十七日凌晨，台儿庄外的日军开始攻击西寨墙。飞机和火炮将寨墙轰塌之后，步兵在二十多辆坦克的掩护下冲锋。台儿庄寨墙已经千疮百孔，根本无法阻挡日军的涌入——“我寨上官兵死伤于敌人炮火及塌陷的寨墙压埋而阵亡者甚多。”在西门附近防守的一八一团三营伤亡殆尽，三百余日军突入城内随即竖起日本旗，中国守军不得不退守街区纵深，依靠被毁坏的“破屋断墙”节节阻击。防守北车站及西阵地一八五团，在之前的刘家湖战斗中损失惨重，这时因新的伤亡不断而致兵力捉襟见肘。第三十一师已抽不出任何增援部队，负责指挥庄内守军的副师长王冠五，在电话里向师长池峰城请求撤退。池师长心力交瘁，犹豫不决，询问参谋主任屈伸。屈伸认为，一点放弃将影响全局，建议把工兵营和骑兵连拿上去。池峰城在电话里对王冠五说：“台儿庄是我们的坟墓，坚决顶住，不能撤退！援军马上就到！”随即命令工兵营和骑兵连增援寨内。同时，命令一八六团和一八二团，必须各抽一个营紧急增援北门。援军到达后，王冠五亲率部队反击，官兵们拔下日本旗，换上中国旗，并把一部分日军从寨墙缺口堵了回去，城里的残余日军退入城隍庙……
为了牵制日军的攻击，一八一团（欠三营）和一八五团二营，奉命迂回到日军侧背，向刘家湖、三里庄和墩上村发起出攻击。二十七日上午十一时，一八五团二营攻占墩上村，一八一团二营逼近三里庄，一八一团一营攻占了刘家湖。但是，日军紧接着就发动了大规模反击，墩上村即刻失守，三个营的中国官兵在撤退时伤亡大半。
下午一时左右，日军的十一辆坦克直接冲到距台儿庄西北寨墙两百米处，随即停下来向台儿庄内开炮射击。日军的坦克兵尚不知台儿庄中国守军已经调来了重炮，中国军队的重炮瞄准后突然开始轰击，十一辆日军坦克中六辆中弹起火，其余五辆见状仓皇而逃。寨墙上的中国守军不禁欢呼起来，胆大的士兵跳下寨墙，开始追击四处逃散的日军坦克兵砍杀射击，另一些士兵爬上被击毁的坦克卸掉上面的机枪。在刘家湖和园上村里的日军目睹了这一场景——“举目骇视，竟不发一弹，似为我欢声所震眩，竟达五分钟之久，实战场上绝无仅有之奇景也。从此敌战车不敢迫近台儿庄矣。”
台儿庄中国守军第三十一师，几天来已伤亡了三千多人，池峰城师长把全师重新编成七个营。为加强台儿庄的兵力，第二集团军总司令孙连仲命令张金照的第三十师和吴鹏举的第四十四旅增援。
同一天晚上，日军增援部队全部抵达刘家湖。
台儿庄的战局愈发严峻。
我军在兵力上占据绝对优势，打来打去却让日军占了半个庄子，这让战区司令长官李宗仁“殊感诧异”，他严令第二集团军于二十九日前将冲入台儿庄内的日军消灭干净：
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，殊感诧异。着贵总司令负责严督所部，限于二十九日前将该地肃清，勿得延缓，致误戎机为要。