一天后，华北派遣军第二师团按期到达，这给第八师团的所有人都带来了希望的曙光，再加上第五和第七师团的剩余部队，让原本消极颓废的中井师团仿佛跟打了鸡血似的。

得到增援的日军四个师团立即对台儿庄发动了第三次进攻，由于大文沟机场被毁，麻村太郎向华中派遣军司令部申请从徐州调来了飞机，对台儿庄进行了地毯式轰炸，第二师团的重炮联队和榴弹炮联队更像不要钱似的对着台儿庄中国军队阵地倾泻着炸弹。

在日军猛烈的炮火攻击下，守护台儿庄小北门的一个营的兵力几乎牺牲殆尽，三百多名日军冲进小北门，幸存下来的中国士兵同日军展开了激烈的白刃战，尽管日军人多势众，但是丝毫没有占到中国守军的便宜。

为了完成李将军制定的反包围计划，坚守在台儿庄的中国军队死守阵地，目的就是要尽量拖住敌人，让台儿庄以外正在运动前进的部队可以将攻打台儿庄的日军团团围住来个“瓮中捉鳖”。

日军第五师团和第七师团两部作为先锋部队首先攻入台儿庄西北面，他们妄图切断四十军和五十九军的联系，四十军一二0师师长左云峰率领全体将士以强大的炮火对长驱直入的两个不完整编制的日军师团展开了猛烈的炮击，同时，五十九军在军长张志诚的率领下在外线向突入台儿庄西北角的日军侧翼攻击前进。在两军的前后夹击之下，突入台儿庄的两个师团残部在猛烈的炮火攻击下死伤惨重，现场到处是被炸死的日军残缺不全的尸体，一向以帝国勇士自居的日军在台儿庄感受到了炮火的虐杀，一时间血流成河，剩余日军纷纷找地方躲避。

负责指挥的第八师团见前方部队已经突入台儿庄，就再以兵力支援，占领了台儿庄的东半部，殊不知这是李将军的诱敌深入之策，在经过一昼夜的激战，四十军和五十九军已经将进入台儿庄西北面和东北面的第五和第七师团完全包围，此时从南京方面驰援的第二师团准备对深入台儿庄的两个师团进行救援，但是却遭到了中国军队第五十二军和七十五军的围攻，于是，在小小的台儿庄弹丸之地，中日双方投入了三十多万的军队展开了一场厮杀。

被困的第五第七师团日军见救援无望便决意以死相拼，中国守军两个完整军，兵力接近日军残敌的五倍，在激烈的厮杀中依旧伤亡惨重，双方战斗一天一夜竟然呈胶着状态。

为了尽快解决战斗，台儿庄指挥部下达了反攻的命令，庄内四十军和五十九军对残敌展开最后的攻击，庄外五十二军和五十七军也对驰援的第二师团进行反攻。五十二军关怀军长和七十五军孙世钊军长不惧个人安危，从指挥部出来到了一线战场，和士兵们并肩作战，士兵们见到两位军长亲临前线顿时士气大振，挥舞着大刀冲入日军队伍。

日军拼死抵抗，同时凭着武器和作战经验丰富的优势占领了台儿庄大片街市，五十二军和五十七军开展街垒战逐步推进，逐次反攻夺回被日军占领的街市，也因此付出了巨大的代价。

就在中日两军战斗呈胶着状态的时候，年轻的中国空军以二十多架飞机对前期攻入台儿庄东北、西北日军阵地举行轰炸，在受到地面炮火袭击又有飞机在头顶扔炸弹的情形下，第五第七两个师团残部终于体会到了什么是绝望，当晚，板仓和濑户谷两人同时下令炸掉不易搬动的物资，寻找机会突围。

中国军队总指挥李将军来到台儿庄邻近，亲自指挥部队举行全线反攻，中国军队重创了日军第五、第七两个师团，除板仓和濑户谷两人在亲信部队拼死护卫下带着少量部队逃脱之外，其余大部被歼灭，原本还指望着第五和第七师团打个翻身仗的第八师团见形势不对，组织了几次冲锋都被中国守军牢牢的钉在了原地动弹不得，而负责增援的第二师团也在五十二军和七十五军的围攻下汇合第八师团残部开始向徐州方向撤退。

经过四天激战后的台儿庄恢复了平静，台儿庄战役以中国军队的胜利宣告结束。这场会战在李将军的亲自指挥下，消灭了日军第五、第第七两个精锐师团的主力和第八师团一部，缴获大批武器、弹药，严重地挫伤了日军的气焰，打破了日军不可战胜的神话。

整个台儿庄战役从开始到结束历时一个多月，这是中日双方在正面战场上一次较大规模的较量，随着此战的失利，日本国内民众出现了反战情绪甚至有政变的迹象，为了维护军队的稳定，日本高层必须要给民众一个交代，自然而然的，损失最重的第五师团成了替罪羊，师团长板仓四郎战后立即被召回国，被削夺了一切军权，并且以渎职的罪名被送上军事法庭，第七师团濑户谷和第八师团中井石男被撤职查办，同时削夺了中将军衔，昔日不可一世的战争恶魔成了人人喊打的过街老鼠，这是后话。

台儿庄战役胜利的消息通过电波和报纸很快传遍全国，有的国家甚至不敢相信,他们认为中国军队现有的军事水平还不足以与武装到牙齿的日军抗衡，但现在有证据证明日军溃败的消息的确属实。消息一出全国民众热血沸腾，更加坚定了打败小鬼子的决心。