团进攻作战，拂晓后以轰炸机14架轰炸了韩庄、临城及枣庄的日军，但第20军团并未按预定的时间开始进攻。当晚，军团部及第85军仍在抱犊崮山区中，仅第52军到达了预定的进攻出发地位——郭里集、鹁鸽窝之线。当日，******至徐州视察，将随行的副参谋总长白崇禧、军令部次长林蔚及厅长刘斐等留第五战区协助李宗仁策划作战。同时令第31师改为防守台儿庄，并增调炮第7团的野炮1个营(有沈阳造仿克鲁75毫米野炮10门)、机械化野战重炮兵1个连(有德国造卜福斯的150毫米榴弹炮2门)及铁甲车第3中队配属第31师，以加强台儿庄的防守火力；还令第31师解除第20军团的配属任务，归还第2集团军建制，由孙连仲统一指挥台儿庄方面的作战。孙连仲于当日进至台儿庄运河南岸的韩家寺，将其第27师由贾汪推进至台儿庄附近，接替第31师河防部队，以加强台儿庄的防守力量。
同日，日军沂州支队开始东进，当晚宿营于枣庄，以约1个中队的兵力为先遣队，进至郭里集，占据了村东北角的大碉楼。“台儿庄派遣队”继续由北洛向台儿庄进攻，中午前后攻占南洛，黄昏时推进至台儿庄附近。台儿庄南靠运河北岸，四周有长约4公里的砖砌城墙，并建有大小碉堡多座，共有6个城门，城西南角的文昌阁为全城制高点。日军以猛烈的炮兵火力摧毁了东北城墙，一度突入城内；在第31师不断反击下，败退城外，遂在北郊一带构筑工事，防御第31师反击及等待援军，作再次进攻的准备。
5日拂晓时，进入郭里集的第52军第25师第75旅之一部与日军沂州支队的先遣中队互相发现。第52军部队立即将碉楼包围，并调来炮兵进行攻击。经战斗后，该日军中队大部被歼，仅十余人突围逃至枣庄。枣庄日军沂州支队在第25师围攻其先遣中队时曾派出数百人进攻郭里集，企图救援，被第25师击退。第52军的第2师从鹁鸽窝向枣庄进攻，但被击退。汤恩伯率第85军主力仍在抱犊崮山区按兵不动，仅令派出1个旅与第52军协同作战，而该旅仅派出1个团、该团又仅派出几个排的兵力在枣庄外围进行了袭扰性攻击，然后又退回抱犊崮山区中。
位于枣庄附近的濑谷启于24日夜收到了“台儿庄派遣队”的请援电报。由于枣庄、郭里集方面受到第52军的攻击，濑谷支队只能抽调约2个步兵中队的兵力，配属2门重炮南下增援，支队主力准备“与郭里集附近之敌进行决战”，令第10联队(约1个半大队的兵力)从临城向枣庄以南运动。增援