桂军官兵很擅长这种复杂地形作战，如果单纯打阵地战，他们自然不是日军对手。
日军第13师团在12月20日占领安徽滁县，全椒一线以后，奉命开始沿着津浦铁路北上。
由于国军顽强抵抗和安徽复杂地形的影响，第13师团推进速度很慢。
这个13师团是刚刚参加过南京大屠杀的师团，也是日军甲种精锐师团之一，编组地是日本的仙台，又被称为仙台师团。
当时师团长为荻洲立兵中将，该师团为1905年建立，参加过日俄战争，也曾进军西伯利亚干涉苏联革命，到抗战开始时候已经有30年的历史，是日军一支劲旅。
但是第13师团自从淞沪登陆以来，已经连续作战了2个月，有一定伤亡，官兵颇为疲劳，战斗力有一定减少。
加上该师团向北推进的一路是安徽的江淮丘陵，到处都是起伏的丘陵和大大小小的河流，并不合适进攻作战。
畑俊六对此也非常明白，此次为了进攻徐州，他给这个师团增加了大量额外配属部队，主要是重武器，以增加13师团实力。
配属部队为：
独立机关枪1个大队
战车1个大队（装备坦克）
轻装甲车1个中队（装备装甲车）
15公分口径榴炮1个联队（重型榴弹炮）
10.5公分口径加农炮1个大队（重型榴弹炮）
航空兵1个大队
独立工兵两个联队
两个渡河中队
两个架桥中队
高炮1队
汽车两个中队
铁道大队
后备步兵1个半大队
可见，这个师团的火力极为强大，在日军甲种师团中也是相当厉害的。
这一线守军是一支国军的劲旅，就是桂军刘士毅第31军。
桂军号称中国军阀部队中最厉害的部队，超过湘军和青海马家穆斯林骑兵，这不是浪得虚名的。
桂军非常擅长山地战，丛林战，官兵作战极为勇敢，战术形式多样，单兵作战能力强，既可以打整旅整师的大军团作战，也可以分散成营团打小规模的游击战。
桂军在抗战中第一次表演是在淞沪会战，结果却不理想，伤亡相当大，还殉国了几个旅长。
这并非桂军无能，而是淞沪会战是桂军并不很擅长的阵地战，桂军的特点无法发挥。
桂军名将刘士毅的31军并没有参加淞沪会战，而是直接从南宁开到了徐州。
此次作为徐州会战南线防御的主力，31军下属第135师，第173师，第174师，全军满员，士气也相当高昂。
可惜31军是桂军三个军中战斗力最弱的一个军。桂军本来只有两个军，并不包括31军。这个31军是抗战前刚刚扩编组建起来的部队，以少量骨干部队配合大量新兵组成部队。所以31军新兵太多，有六七成兵力都是抗战以后刚刚从广西召集的新兵。
虽然当时桂军选取士兵非常严格，从全省自愿报名的90万壮丁中只选取了几万人，兵员素质很不错，但毕竟新兵没有任何战斗经验，战斗力尚不足和桂军第7军相比。
刘士毅自己回忆：我这一军是临时征集各地青年新编的。训练未及一月，不但众人怀疑他们的作战能力，就是我也深感忧虑。好在干部都是南宁第一分校的学员生，我要他们利用北上运输这一个月的时间，在火车中讲解枪枝各部名称与作用。是时因运输拥挤时有停顿，以等待其他部队通过等事，每一停车，即令部队长率部下车，在铁道两旁附近，遇机作实地的训练，而且注重作战必要的技术练习，如自动火器的使用与射击等动作，以便一遇敌即可作战，免去一切形式上的操作，以求节省时间。所以由粤汉路、平汉路、陇海路等运送到徐州，共费了一个多月的时间，部队也就受了一个多月的实地训练，所以一下火车，就可以作战。
大家看看，就这样完成训练的。
外号武状元的刘士毅是个职业军人，他分析大局，根据李宗仁的建议改变作战方式。桂军31军没有采用单纯的阵地战，他利用安徽这一线起伏不断的丘陵地形，加上星罗棋布的小型河流湖泊，成功的缠住了日军。
桂军以一部在正面誓死抵抗，但兵力并不大，以避免被日军重武器大量杀伤。
同时桂军使用大量部队以营团为单位，从侧翼甚至后方四处进攻偷袭骚扰日军。
桂军侧翼进攻部队并不硬拼，而是有效利用地形，巧妙的打击日军。
广西桂军非常擅长在复杂地形中作战，他们枪法精确，敢于近战肉搏，而且行军速度极快，战斗中非常勇敢机智。
白天桂军正面拦截，并不使用大股兵力，只是坚守几个要点，保证坚持到晚上。
一到夜晚，桂军则大规模夜袭，夺回白天丢失的部分阵地。日军不善夜战，往往就被桂军击退。
这种作战方式搞得日军日夜不得安宁，刚打了10天就相当疲惫，很多日军士兵每天就睡2，3个小时。
日军第13师团面对这种死缠烂打的战术非常头疼，他们前进相当困难，而且由于地形复杂，重武器行军也很困难。大部分河流上的桥梁都被桂军破坏，日军只能靠几个架桥和渡河中队运输。
最终杀了整整1个月，日军才完全占领了滁县北面50公里的明光一线，相当于每天仅仅前进1公里。攻陷了明光以后，日军离徐州还有200多公里的遥远距离。
当时日军已经在台儿庄方面猛烈厮杀，畑俊六也只好下令13师团全面进攻，加快行军速度。
在接到全面进攻的命令后，第13师团开始全力北上进攻，但再次被桂军刘士毅第31军死死缠住。
桂军31军虽然战斗力很强，装备根本无法跟日军相比，光火炮上日军数量是桂军的几十倍。
在一次撤退途中，桂军第138师第414旅丢掉了两门火炮，这让师长莫德宏大发脾气，狠狠将414旅旅长钟毅大骂了一顿。因为31军一共也只有几门山炮。
况且31军不过一个军，兵力尚且没有日军一个师团3万人多，不可能光靠1个31军打赢。
在桂军在皖北死死缠住日军13师团的时候，李宗仁已经调动大部队开往皖北，要求桂军继续拖住日军。
于是桂军同日军再次激战半个月，也就是到了2月初，日军才占领了定远蚌埠一线。
期间由于31军的打法让日军作战极为艰苦，日军上下都极为愤怒，他们本想大肆屠杀老百姓泄愤，但安徽当地老百姓听说在南京屠杀的13师团来了，大多弃家逃亡，日军只杀了一些来不及逃走的老人妇女。
另外日军对31军极为仇恨。作战中31军1个连40，50人退入楼店村后死守，被追击而来的日军赶上，两军肉搏后该连全部殉国。
事后日军为了泄愤，居然将桂军阵亡官兵遗体全部扔进村内王成九酱园的酱缸内，令人发指。
鉴于东北军51军已经赶到淮河一线，桂军31军奉命转移，让出正面阵地由东北军接防，自己则退往日军侧翼山区待命。
刘士毅第31军的巧妙防御完全扭转了战局，此时国军三支主力大部队已经先后开到了安徽北部。
最先赶到的是原来驻守青岛的东北军于学忠51军。
51军是东北军的一支主力部队，抗战前常驻甘肃，军长于学忠也是东北军二号人物，仅次于张学良，当时担任甘肃省主席一职。
西安事变中，于学忠率部将甘肃兰州的中央军几个团缴械，期间还杀了一批人，枪毙了两个团长。
但西安事变结束以后，蒋介石没有追究51军的责任，保持了于学忠51军军长的职务，让他率部抗战。
51军奉命去青岛驻防，在韩复榘溃逃，青岛已经没有防御意义之后，于学忠奉命率部紧急赶赴徐州南面的淮河增援桂军31军。
于学忠的51军装备比桂军要好得多，该军下辖周光烈第113师、牟中珩第114师，共有4个旅8个团，全部都是清一色的捷克式和沈阳兵工厂自制的轻武器，有大量精良的步枪，轻机枪，还有数量不少的重机枪和迫击炮，这主要是来自于当年张作霖的老底子。
可惜东北军战斗力并不强，装备虽然好，官兵战斗意志却薄弱，军官素质也低，很多是土匪流氓出身，打起仗来比川军好不了多少，属于国军中三流部队。
自从第二次直奉战争以后，东北军百战百败，从无一场胜利，先后败给中央军（北伐），苏军（中东铁路事件），日军（九一八事件，热河会战），中共（陕北几个战役）。
但东北军抗日的情绪还是很强烈的，同全国其他部队相比，他们是丢失了老家的人，更有和日军拼命的理由。
他们赶赴淮河一线以后，接过31军的阵地，全力阻止日军渡过淮河。
2月1日，日军开始强渡淮河，同51军激战。
两军鏖战长达10日之久，期间东北军抵抗非常猛烈，还炸毁了淮河大桥。
日军只好利用缴获的100多艘民船渡河，好不容易渡过2个大队，却被东北军342旅英勇反攻，最终仅有一小部登陆成功。
第二天东北军集中将登陆日军全歼，一部日军走投无路，跳入河中试图游回对岸，结果基本都被淹死。
之后日军一再强渡，并且分兵从侧翼包抄，一度顺利渡过淮河。
日军此战也掌握火力的绝对优势，光是飞机就有20多架持续轰炸，重炮坦克更是不计其数。
其中日军在蚌埠城内位置最高的面粉工厂设置火炮观测点，日军重炮炮弹一片片的覆盖51军阵地。
51军没有重武器，无力抵抗，只得向蒋介石要求支援。
蒋介石当时也没有太好的办法，他命令仅存的少量空军部队给予支持。
国军空军出动8架飞机冒死飞到蚌埠，将面粉工厂炸毁，毁掉了这个观测点，日军重炮失去了眼睛，之后几天被迫降低了炮击强度。
日军在51军顽强抵抗下前进非常艰难，前后三次成功登陆上淮河对岸，却全部被东北军集中反攻歼灭，最终只有一部勉强渡河成功。
东北军此战一扫之前懦弱无能，对日作战全败的历史，51军不过2万人誓死抵抗，居然阻挡了日军整整1个师团3万多人11天之久。
其中在2月10日，东北军114师奉命反攻，师长牟中衍亲自率领部队猛攻，将渡河日军打得缩成一团，无法前进。但仅仅一天时间，114师伤亡2000多人。
10多天作战中，东北军损失也不轻，损失了5000多人兵力。
此时东北军开始支持不住，日军13师团大部渡过淮河。
就在日军拼命渡河的时候，国军另外两支强有力的增援部队先后赶到皖北。
先赶到的是西北军最有战斗力的张自忠59军。
而战斗力更强是桂军周祖晃的第7军，该军的外号叫做钢7军。
张自忠59军在2月13日接过了伤亡惨重的东北军51军的阵地，并且立即开始全线反击。
此时的13师团已经陷入进退两难的地步，由于进展缓慢，也算孤军深入，畑俊六大将考虑将13师团的进攻停止，不再支援徐州会战。
当时畑俊六下达了收缩阵线，暂时停止进攻的命令。
而日军第13师团这边从南京大屠杀以后已经激战了2个多月，从上到下非常疲惫，此时迎面遇到战斗力很强的西北军开始顶不住了。
张自忠和他的59军本来就是抱着一肚子怒火来的，此时和日军已遭遇，二话不说，上来就是强攻。
日军根本没有想到国军会主动进攻，措手不及，一线部队支持不住，纷纷向后方退却。
以小蚌埠为例，59军李金照旅长布置第224团进攻小蚌埠村。
小蚌埠是个与蚌埠隔河相望的镇子，它紧靠津浦铁路淮河大桥，是位于大桥北端的桥头堡。敌人一旦从这里渡河，便可以沿津浦铁路突进，正面北犯，直趋徐州。
第224团团长黄贵长以主力第一营打先锋，直冲日军指挥部；第二营助攻。因其战略地位非常重要，日军在选择突破口和把战争升级时都把重点放在这里。
224团1营迅速冲入小蚌埠村，先头连连长吴锡功身先士卒，刚冲到村内就被日军机枪击中，当场殉国。该连冲锋的同时，另外一连带着机枪爬上民房，向日军火力点猛烈射击。
59军对驻有日军的院落，采用步兵包围，机枪警戒出口，突击队白刃突入的方式予以消灭。最后，残余日军据守在一个大院内顽抗，几挺机枪向外面扫射，59军没有火炮，无法将其摧毁，依靠步兵冲锋，也冲不进去。
224团第一营冲击不利，营长赵金鹏灵机一动，命令所有人向院内集中投掷手榴弹。
大量手榴弹扔进院子，虽然并没有炸伤几个日军，但日军上下惊恐不已，他们随后放弃大院逃走，结果除少数逃脱外，均被打死。
到16日凌晨4时，小蚌埠已被第224团肃清。
第223团也在师山炮营支援下将淮河大堤上下的日军全部歼灭。
第五十九军统计战果，共缴获日军枪支300余支、战马10余匹，歼灭日军300多人。
第三十八师也伤亡连长吴锡功、赵青云、徐宝琛，排长田起瑞、郭星辰以下400余人。
日军正面被突袭，阵脚大乱。
李宗仁见到火候已到，下令刚赶到战场的桂军钢7军和埋伏在侧翼的桂军31军立即从侧后方进攻日军。
两支桂军如神兵天降一样杀向日军后方，日军只有三分之一兵力在淮河以南，顿时大乱，他们不顾已经渡河的日军，而是自顾自的狼狈后撤。
渡过淮河的13师团部队突然发现河南岸的友军已经撤退，全军上下都非常惶恐。
第13师团师团长荻洲立兵分析全局，知道四面都是国军，而最近的日军师团还在200公里之外。此时13师团如果不从淮河北岸撤退，说不定就会全军覆没。
虽然这样撤退等于战败，但权衡利弊，也没有其他选择。
13师团从15日开始全面放弃淮河北岸撤退，期间不断遭受国军打击。好在日军火力占优，勉强能够抵抗住。
到了17日，日军全部退回淮河南岸固守。
此战第13师团伤亡7000多人，国军方面东北军51军伤亡5000多人，其他各部伤亡总数也在5000人以上。
本来桂军2个军配合东北军1个军，加上西北军1个军也有能力全歼或者重创敌13师团。
但毕竟淮河一线远离徐州会战主战场，处于次要地位，是否全歼13师团不影响徐州会战的战局。
而17日山东境内日军从济宁全面进攻，李宗仁命令张自忠的59军火速赶赴山东作战，淮河北岸留下东北军于学忠51军和桂军31军防御。
由此中日两军沿着淮河对峙，展开小规模拉锯战，直到台儿庄战役结束。
桂军钢7军则南下攻击日军，阻挡从南京出发，沿着津浦线向徐州进攻的日军后续几个师团大部队，并且在3月一度占领了南京的浦口地区，大大震撼了总部设在南京的日本华中方面军。
之后畑俊六没有再派遣后续部队北上进攻，由此日军从南线进攻徐州的计划，完全被国军破坏。
徐州南线作战一般不被人提起，实则是非常重要的。
