南京国民政府从徐州调集嫡系部队，防守南京西线的消息，很快便被北洋军侦察到了。
徐州前线仅剩余5万人左右的的地方杂牌部队，以黔军为前身的王天裴的第10军约2万人，驻守徐州主城及北线，以皖军为前身的马祥兵第44军约1.5万人，驻守徐州南侧宿县一线。
另有刚刚收编的北洋降军两个旅约1万人作为总预备队。
1927年6月初，直鲁联军总司令张宗唱与五省联军总司令孙传方在山东济南会晤，达成联手反攻，收复苏皖的协议，总共集结兵力约12万余人，分为左右两路，南下夹击徐州。
左路为正面主攻部队，以褚玉噗为前敌总指挥，下辖直鲁联军第1、2、7军及白俄雇佣军铁甲车队，是津浦铁路正面南下强攻徐州北线。
右路以郑俊岩为前敌总指挥，率领五省联军仅剩的精锐第1、2、4师，从皖北蚌埠宿州一线向西推进迂回至徐州侧后方，意图切断徐州至南京的津浦铁路，堵死守军南侧的退路，配合正面主力完成对徐州的合围。
6月10日，左路军直鲁联军先头部队铁甲车队抵达徐州以北的韩庄、台儿庄一线，与王天裴的第十军前沿部队交火。北洋军凭借着铁甲车队和重炮的优势，连续突破第十军守军阵地，王天裴部损失惨重，无奈只能节节后退。
直鲁联军先后拿下临城，枣庄，泽县等徐州外围据点，第十军不得不退至徐州近郊，徐州北线门户大开。
与此同时，孙传方残部从皖北发起了突袭，击溃了马祥兵的第44军侧翼部队，五省联军相继攻占宿县、萧县，至六月十八日，其前锋直抵徐州以南的三堡车站，彻底切断了徐州通往南京的津浦铁路。
徐州守军第十军驻守徐州主城，此时南北两面均受到敌军进攻，同时与南京的陆路联系全部中断，弹药补给也相继告急，王天裴连续向南京总司令部发报求援，但是总司令所有嫡系部队都被武汉东征军牵制，在南京西线，已无兵可派，仅仅回电四个字，“死守待援。”
6月20日，直鲁联军总司令下达总攻命令，一级直鲁联军士兵分别从东、西、北三面强攻徐州城，孙传方残部也从南面发起进攻，守军被彻底四面包围。
城内守军第十军死守了整整三个昼夜，丝毫不见援军的踪影，部队伤亡过半，弹药也即将耗尽，徐州外围阵地已全部
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