1938年1月1日，华北方面军第2军渡过黄河南进。第10师团于1月1日占领肥城、泰安，4日占兖州、曲阜，6日占邹县，11日占济宁。日海军陆战队于1月10日攻占青岛，第5师团于19日进入青岛担任警备任务。
2月上旬，中日两军在蚌埠地区淮河南岸进行激战时，津浦路北线日军乘机南下。中国第五战区遵照军委会意图，采取以攻为守战术，于2月6日命令第3集团军向济宁、第22集团军向邹县、第3军团向蒙阴发动攻势。第3集团军代总司令孙桐萱接受命令后，即以主力进攻济宁；以一部进攻汶上，尔后向济宁、兖州间实施侧击，策应主力作战。以阻止日军沿津浦路南下并确保陇海铁路安全。
孙桐萱于2月10日命令，第55军由金乡向济宁南关之敌进攻；命令第12军第22师由定陶经巨野、嘉祥迂回至济宁以北地区，尔后向济宁北门进攻，协同第55军收复济宁城；命令第81军对汶上之敌进行袭扰。规定2月12日拂晓到达进攻出发地点，12日开始攻城。
第22师师长谷良民作出部署：以第64旅为主攻部队，第66旅为预备队，随师部控制于运河西岸。12日拂晓前，第128团和129团秘密配置于济宁北关两侧，旅部推进至兴文镇。根据侦知情况，本来预定天亮后小分队化装居民入城，控制城门，里应外合歼灭城内日军。但日军已有觉察，当天城东、西、北门均未开。
第64旅旅长时同然急令北关两个团改为攀城强攻。12日22时开始用长梯子多路同时攀城进攻，伤亡甚重。后在西北城角击塌一段城墙，约有九个连从缺口处突入。城内日军以猛烈火力封锁了缺口，然后向入城部队发起围攻。敌我在城内北大街及城西北隅关帝庙一带展开激烈巷战，逐屋争夺，浴血肉搏。
入城部队孤军奋战，血战一昼夜，至14日拂晓，九个连勇士全部壮烈牺牲！在城北的第64旅残部，13日23时接到孙桐萱令其向运河西岸撤退命令，由第66旅接应，用民船渡过运河到达西岸。掩护撤退的后卫营损失较大，营长战死；第66旅旅长薛明亮负伤。
第81师于12日夜开始进攻汶上城，一度攻入北关，受到日军猛烈炮火袭击，伤亡甚重。由于济宁方面第64旅已撤回运河西岸，第81师也主动撤至开河镇附近，沿运河之线防守。
2月17日，日军第2军参谋长铃木率道按照司令官的意图，指示第10师团和第8师团于20日开始向运河防线中**队发起进攻。经五日战斗，25日日军突破运河防线，26日攻占嘉祥。尔后日军留一部兵力防守，主力集结于济宁。
第3集团军逐次抗击后，撤至巨野、独山镇、大义集、孟家屯、相里集之线防守。第3集团军顽强抵抗，使鲁西战局转危为安。
蒋介石十分高兴，特意让军委会致电嘉勉。