一九三八年二月上旬，津浦路南段正在激战之时，为扭转因韩复榘避战而造成的日军大举南下的态势，第五战区决定采取主动进攻的策略，命令第三集团军向济宁和汶上、第二十二集团军向邹县、第三军团向蒙阴发动攻势作战。
韩复榘被处决后，第三集团军总司令由孙桐萱代理。
二月十日，孙桐萱下令：曹福林的第五十五军由金乡向北面的济宁南关发起进攻，谷良民的第二十二师由定陶经巨野、嘉祥迂回济宁以北，攻击济宁北门，协同第五十五军收复济宁。
同时命令第八十一师对汶上的日军进行袭击，防止其南下增援济宁。十二日，攻势作战开始。担负主攻任务的第五十五军，仅以两个团各一部的兵力，对济宁火车站等地进行了骚扰式袭击，被日军打回来后，主力部队再也没有任何行动。而担负助攻任务第二十二师却仍在执行命令。
部队抵达运河西岸后，以第六十四旅为主攻，第六十六旅为预备队，谋划的夺城方案是：小分队化装成百姓潜入城内，待城外发起攻击后里应外合。
济宁城门紧闭，日军戒备森严，小分队无法入城。第六十四旅旅长没有犹豫，立即命令位于北关的两个团攀城强攻。两个团的官兵扛着长梯分路攀城，尽管伤亡甚重，但一波接一波地往上爬，终于突进去九个连。
防守济宁的日军约有三千人，中国官兵突进来后他们紧急求援。济宁城内的激烈巷战持续了一天一夜，日军一千五百人的增援部队到达。城里城外的日军联合攻击，突入济宁的中国官兵孤军奋战，至十四日拂晓，九个连的官兵全部战死。
第六十四旅残部在当地百姓的帮助下向运河东岸转移，掩护撤退的后卫营营长阵亡，负责接应的第六十六旅旅长薛明亮也中弹负伤。
在济宁的北面，攻击汶上的第八十一师遭遇守城日军与从东、南两面增援而来的日军的围攻，部队因伤亡巨大仅在战场上坚持了一天便撤退下来。
第三集团军反击济宁城的兵力，实际上只有一个旅，武器和兵力均不占优势，尽管九个连的官兵誓死血拼，但全军未能达成第五战区赋予的战略企图。
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