就在六十七军独立玈在青阳发展的时候休整分兵的时候，日军集中力量抢修津浦铁路，津浦路南线作战的滕县保卫战、临沂保卫战拉开了序幕。
第十师团师团长矶谷廉介中将是个很复杂的人物。他出生于日本的兵库县，和板垣征四郎、土肥原贤二一同毕业于陆军士官学校第16期，1915年毕业于陆军大学，是日军中四大中国通之一。
但是，与板垣征四郎和土肥原贤二不同，一是矶谷廉介当时并不想上陆军大学，而是想来华夏。因为他的岳父、日军第一代华夏通、日军对华谍报鼻祖青木宣纯曾告诉他，他一生的事业应该在华夏。二是矶谷廉介虽然也是日军四大中国通之一，但他属于日军华夏通中的南支那派，主要研究的是孙中山派系的发展，而板垣征四郎和土肥原贤二都属于日军华夏通中的北支那派，关注的是东北和华北。三是矶谷廉介在任日本驻华公使馆、驻华大使馆副武官期间，结识了孙中山，对孙中山先生非常敬爱，对委员长却一直不感冒，而板垣征四郎和土肥原贤二等北支那华夏通都认为粤省人称孙中山为孙大炮非常中肯。
卢沟桥事变前，矶谷廉介属于日军中不主张扩大事态范围的那一部分人，但是战争一旦开始，矶谷廉介还是披挂上阵，扮演起了急先锋的角色，从平津一路南下，一直攻占了济宁。这一下，让矶谷廉介顿时觉得华夏军队不够尔尔，原来就知道中国军队装备差、战斗力低，没有想到竟然差到这种程度、低到这种程度。
直到上次会援天津，第十师团先头部队在沧县被四旅骑兵营重创，矶谷廉介才忽然明白，这国军的教导队不同于一般的华夏部队，步兵火力强大，而且擅长使用地雷、炸药包，他们有一种兵器是专门对付皇军的坦克和装甲车的，一炮就能把坦克打成一堆废铁。在这支部队面前，皇军没有丝毫优势。无奈之下，矶谷廉介将被击毁的坦克直接运回日本，让军工人员研究，看能不能知道是被什么武器击毁的。
沧县之战让矶谷廉介心生警惕，部队回防山东后，在对津浦路南段作战的时候，矶谷廉介就有点谨慎了，不停地囤积弹药和物资，单是对滕县的侦察就用了半个月时间。因此，游击队破坏津浦路暂时对第十师团影响不大。现在，矶谷廉介已经弄清楚了当面防守的华夏军队的番号和布防情况，知道是华夏军队中装备最差的川军第二十二集团军防守界河至滕县一线，西北军庞炳勋军团防守临沂，矶谷廉介内心的最后一丝忧惧彻底消散了，马上变得英姿勃发起来，这老鬼子要出手了。
按照第二军的作战计划，第十师团第八旅团赖武平少将指挥补充完毕的第39联队配以部分骑兵、工兵、炮兵进攻临沂，新任第三十三旅团长濑谷启少将率第10联队和第63联队，配以部分骑兵、炮兵、战车部队，组成濑谷支队向滕县方向进攻，矶谷廉介率领第40联队和师团直属的骑兵联队、野炮兵联队、工兵联队、辎重联队担任预备队，其中辎重联队确保军火补给运输安全。
矶谷廉介对第二军的作战计划反复研究后，制定了东线牵制，正面迂回包抄的作战方案。以赖武平少将指挥第39联队指挥皇协军前进总司令刘桂堂部增援在临沂方向进攻受挫的独立混成第六旅团，攻占临沂，吸引华夏军队驰援，减轻滕县正面战场的压力，然后集中濑谷支队强攻界河一线，造成在界河决战的架势，趁华夏军队注意力集中到界河的时候，留一部分部队监视界河守军，濑谷支队主力穿插过去，以第10联队主力攻占滕县，第63联队直接迂回南下，抢占临城，打乱华夏军队的防守部署，让界河一线的华夏守军不战自溃。尔后，濑谷支队全力南下，攻占徐州。
矶谷廉介打定主意，要以第十师团一个师团之力攻占徐州，为第十师团的战旗再添一丝光辉。因此，他在作战会议上对手下的旅团长、联队长们说，让第五师团、第十六师团去牵制华夏军队吧，有第十师团就足够了！
7月18日拂晓，在比历史上的滕县保卫战整整晚了4个月，日军第十师团在滕县动手了。
防守滕县的是国民革命军第二十二集团军，就是川军中有猴子之称的邓锡侯部和田颂尧部、李家钰部改编而成。川军总司令刘湘病逝后，邓锡侯奉国民政府令回川主政，孙震升任二十二集团军总司令。该集团军整编时辖四十一、四十五、四十七军三个军，每军两个师，每师两个旅，每旅两个团，共24个团。开赴山西战场后，在娘子关战场，由于情况不明贸然投入战斗，被日军各个击破，损失近半，孙震下令整编，每旅两团缩为每旅一团。第四十七军李家钰部后来留在晋东南战场，此时在滕县的实际兵力四十一军、四十五军，总兵力8个团，约2万人。
出川抗日以来，二十二集团军在山西参加了娘子关战役，阎锡山嫌该部装备太差，战斗力太低，留在山西无益，拒绝对其进行补给。委员长只好将其调归愿意接受的第五战区司令官李宗仁指挥。
到第五战区报到后，二十二集团军得到了第五战区的部分补充，除补充轻重机枪和手榴弹外，李宗仁还想方设法购买了一部分大烟土，送交二十二集团军。二十二集团军随即被调往滕县布防，总司令部设在临城，四十五军为一线部队，由一二七师师长陈离指挥；四十一军为二线部队。四十五军以滕县为据点，在界河、香城、九山、王福庄、张庄、后仡、金山一线构筑工事，阻击敌人进犯。四十一军第一二四师三七二旅进驻滕县城，负责城防；第一二四师的三七0旅进驻滕县西北的深井，掩护四十五军一线阵地的左侧背。第一二二师为集团军总预备队，位于台儿庄、韩庄一线。到了3月10日，日军天天飞机侦察、小部队渗透的态势已经很明显，二十二集团军判断大战在即，为固守滕县而重新调整部署。第一二二师师部和第三六四旅旅部移驻滕县城。同时，第一二四师师部由利国驿进驻滕县城内。孙震任命一二二师师长王铭章为第四十一军前方总指挥；张宣武团由南沙河进驻北沙河，部署第二道防线；王文振团由韩庄进驻平邑、城前，以掩护四十五军一线阵地的右侧背，并防止临沂方面日军的侧击。
至此，二十二集团军完成部署，严阵以待，等候日军的进攻。
日军的进攻开始了，开始只是小队规模的试探性进攻，到了8点，日军攻击出发阵地构筑完毕，开始了中队规模进攻。
天上是日军的轰炸机，地上是日军的坦克，濑谷支队集中二十多门大炮不停地轰炸。防守的川军四十五军部队毫不畏惧，轻重机枪、步枪一齐开火，顽强阻击敌人。
二十二集团军总司令孙震得知日军大举进攻，立即赶往前线视察，并在北沙河召开作战会议，进一步部署防御作战。