徐州一线的战事随着日军于1月4日占领兖州、曲阜，6日占领邹县，11日攻占济宁之后，进一步的往扩大方向发展。中日双方越来越倾向于在苏鲁皖交界地区展开新一轮的会战。
时，济宁方向的日军第2军所属矶谷廉介第10师团以步兵第8旅团下辖的沼田多稼藏大佐所指挥步兵第39联队控制于南关一线，汶上方向控制以该联队所属步兵第3大队。而第10师团司令部及长濑武平少将指挥的步兵第8旅团主力部署于兖州。
第3集团军在展开攻击的时候，按照代理总司令-孙桐萱在月10日下达的命令，第55军由金乡向控制于济宁南关的日军步兵第39联队发起进攻，第12军所属第22师由定陶经巨野、嘉祥迂回至济宁以北的二十里铺附近，进攻济宁北门，协同第55军克复济宁城。第81军则是向汶上的日军步兵第39联队第3大队发起进攻。
规定的时间是2月12日拂晓前到达进攻出发地位，12日开始进攻。然而第55军在曹福林军长的指挥下，派出一部兵力进至济宁西南的安居镇附近运河西岸之后，并未以主力实施进攻，仅是以所属第171团、第439团各一部渡过运河，对济宁火车站、西关等要地进行袭扰。这小股的进攻迅速便为日军所击退。
2军所属第22师在师长谷良民指挥下，到达嘉祥以东的运河西岸后，立即以所属第64旅为主攻力量，渡河向前推进。而第66旅为预备队，随同师部控制于运河西岸。
第64旅由大长沟方向通过运河之后，于12日拂晓前到达进攻出发地位；该旅旅部推进至兴文镇之后，立即以第127团控制于二十里铺，对汶上日军进行警戒，掩护主力进攻；第128团、第129团则配置于济宁北关两侧。预定天明后，以奋勇队员乔装成百姓潜入济宁城内。然后发起进攻，里应外合，控制城门，打开突破。
然而由于日军对国军的作战意图已有觉察，12日当天紧逼东、西、北三座城门，仅以南门供出入。无奈之下。第64旅-时同然旅长只得命令部署北关的第128团、第129团变更作战计划，断然攀城强攻。当天夜间22时左右，第128团、129团开始用长梯攀城进攻，然而在日军火力之下，两团官兵伤亡甚众。
屡屡不能得手之际，济宁城西北处的城角被炸坍一段城墙，形成一个突破口。趁得此机，国军果断形成攻击，9个连的中国士兵从这个缺口杀入。日军步兵第39联队长-沼田多稼藏大佐立即调整部署。以南关的联队主力回援城
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