徐州会战，是1938年2月至5月，中国第5战区部队与日军华北方面军、华中派遣军各一部，在以江苏省徐州为中心的津浦(天津至浦口)、陇海(宝鸡至连云港)铁路地区进行的大规模的防御战役。此战，日军动用8个师、5个旅约30万人，中国参战部队前后有70个师约100万人，历时5个月，中国军队广大官兵英勇奋战，首先在南线将日军阻止在淮河南岸，打破其与北线日军会合的企图；继而在北线将东路日军击败于山东临沂地区，又将西路日军之右翼阻止在山东嘉祥地区，粉碎日军在台儿庄会师的计划。
1938年1月26日，日军第13师团向安徽凤阳、蚌埠进攻。日军以为拿下蚌埠已是易如反掌之事，不料进至明光以南，即为李宗仁部署的李品仙的第11集团军和于学忠的第51军，利用淮河、淝河、汇河等地形堵截，双方血战月余，不分胜负。第5战区以第59军军长张自忠率部驰援，进至固镇地区，协同第51军在淮河北岸地区顽强抗击日军。敌军在此停留，竟不能越雷池一步，这大出日军主将畑俊六所料，十分恼怒。于是，畑俊六遂自南京调集援兵及坦克、野战炮等重武器，倾巢来犯。敌人汹汹而来，李宗仁感到硬拼、硬堵要吃亏，待敌援军聚集明光一带时，李宗仁命坐镇蚌埠的李品仙将31军于1月18日自明光全线西撤山区，伺机出击，将津浦路南端正面让开；将于学忠的51军南调，布防淮河北岸，凭借险要地形，拒敌越河北进，敌援军以饿狼扑食之势猛扑明光，结果扑了个空，没有捕捉到李品仙的主力。接着日军攻下定远、怀远等地，但一无所获。此时西撤的31军遵李宗仁指示，从敌军左侧向东出击，将津浦路之敌截成数段，围而歼之。淮海前线之敌，后路忽被斩断，不知凶吉，费九牛二虎之力将31军从津浦线向西压。李宗仁遂命部队采用敌进我退、敌退我进的战术，牢牢地盯住津浦线；此时参加淞沪会战的21集团军北调合肥，以其第48军固守炉桥地区，第7军协同第31军迂回攻击定远日军侧后，迫日军第13师团主力由淮河北岸回援。第59、51军乘势反攻，至3月初恢复淮河以北全部阵地。第21集团军和第31军旋由淮河南岸向北岸集中，淮河两岸日军首尾难顾，与中国军队胶着于津浦沿线，从而使日军对淮河流域的进攻宣告彻底破产。
徐州以南地区之战，日军损失达三四千人，中国军队取得了辉煌的战绩，这次胜利，除了中国军队的浴血奋战之外，皖北人民对军队给予了极大的支持。皖北人素称强悍，英勇善战，当地有句俗话说：“纸糊的江南，铁打的皖北”。当日军侵入淮河流域之际，皖北人民就自动组织起来，协助中国军队阻击日军，在定远、明光等地，日军都遭到了当地民众武装的袭击，把日军搞得像热锅上的蚂蚁，这些武装的民众潜伏在城镇中、村庄里、山林间，日军每到一村一镇都会遭到他们的打击。当时的红枪会等武装组织约有3000多人在皖北到处袭击日军，搅得日军日夜不得安宁。
中国共产党领导的抗日武装在淮河流域的阻击战中也起了配合作用。在南京沦陷前不久，中共驻南京代表团就派李世农到安徽，组建中共皖中工委，动员和组织皖中各县人民抗战。1938年春，中共无为县委领导的游击武装就开始在淮南铁路两侧进行游击活动。1938年初，中共中央从延安将张如屏、曹云露等派回寿县，成立中央安徽工作委员会，开展抗日游击活动。
1938年3月上旬，白崇禧奉命去徐州协助李宗仁作战之前，曾请周恩来、叶剑英商谈作战方针。当时周恩来、叶剑英建议：津浦线南段应采取以运动战为主、游击战为辅的联合行动，使日军不敢贸然北上支援南下的日军；徐州以北应采取阵地战与运动战相结合的方针，以达到穿插分割、各个击破的目的。白崇禧对此建议非常赞赏，并在后来照此实行了。
中国共产党领导的新四军也积极配合淮河沿岸李宗仁的部队，阻击日军北犯。新四军一部曾遵照中央军委指示，进入蚌埠、徐州、合肥三点之间作战。周恩来曾指示新四军配合李品仙集团军，牵制由南京渡江北上的日军。新四军积极配合淮河正面战场的国民党军开展游击战争，成为全民族抗战的一个重要组成部分，在抗战史上写下了光辉的一页。
这次淮河血战，虽然没有把北犯日军全部歼灭，却使日军付出了巨大的代价，并将日军迟滞于淮河一线，粉碎了日军预定的“南北夹击”的战略，迫使日军改取“南守北攻”战略，从北面取道山东，进攻滕县、峄县，造成孤军深入的局面，从而为中国军队在台儿庄歼灭日军造成了良好的战机。