1937年，全面抗战爆发后，汤恩伯升任第20军团军团长，第20军团下辖第13军、52军和85军三个军。其中，第13军军长由汤恩伯兼任，第52军军长为关麟征，第85军军长为王仲廉。

第20军团除了第110师属于杂牌军外，其余都是嫡系精锐，全军团共有6万余人，每个军下辖的每个师有1.1万余人。在装备上，第20军团拥有不少山炮、加农炮、榴弹炮和战防炮等重武器。

如此兵力和装备，在同地域的国军部队中，第20军团是实力最雄厚、装备最好的部队。

1938年3月，台儿庄战役打响，日军向滕县守军川军第22集团军发起进攻，汤恩伯部被紧急调往滕县、临城增援。15日，第85军先头部队奉命赶往滕县东南山地，汤恩伯也于当天抵达临城。

此时滕县之战正在激烈进行，第五战区司令李宗仁命令汤恩伯部迂回滕县以北，与川军第22集团军联合夹击滕县之敌，当时第22集团军总司令孙震紧急给汤恩伯发来电令，请求汤恩伯尽快派兵增援。

汤恩伯认为日军已经有一部绕过滕县南下，滕县外围阵地已经丢失，于是拒绝了李宗仁的命令和孙震的请求，就地让第85军占领临城，准备侧击南下的日军。

3月17日，汤恩伯给李宗仁发去电报，表示将亲自率第85军收复滕县。但当他看到日军源源不断攻击而来，守军大部已经溃散，于是又决定避免和日军正面决战，命令第85军向临城以东的地区移动，又命令赶来的第52军沿着运河布防。

孙震第22集团军苦苦支撑，得不到汤恩伯部的支援，川军伤亡惨重，坚守到18日，川军名将王铭章及3000名川军全部战死滕县，滕县被日军占领。

日军攻下滕县之后，调整了作战策略：以矶谷廉介第10师团沿着津浦路南下，以板垣征四郎第5师团攻占临沂，进入峄县，与日军第10师团汇合，一举歼灭运河以北的中国守军。

日军的这一南北攻击计划，妄图将中国军队全歼。

然而，日军料想不到的是，第5师团板垣征四郎部在临沂遭到了张自忠和庞斌勋部的顽强阻击，日军第5师团在临沂被杀得寸步难移，日军南北两路夹击的计划落空。

就在此时，日军第10师团为了抢夺头功，不等第5师团突破临沂策应，就孤军冒进，濑谷支队攻占滕县后，立刻向韩庄、峄县发起追击。

3月20日，日军濑谷支队攻下峄县，尝到甜头的日军继续冒进，为李宗仁围歼这股敌人创造了机会。

为歼敌创造了机会，李宗仁立刻命令孙连仲的第2集团军迅速开到台儿庄附近的运河南岸集结，池峰城部第31师于3月22日进入台儿庄布防；

命令在临城的汤恩伯第20军团让开津浦线，将主力集结在峄县东侧及枣庄西北一带山地，侧面攻击南下的日军第10师团。李宗仁的战略非常明显，以池峰城部第31师吸引日军，以汤恩伯部在临枣支路与韩庄运河之间围歼日军主力。

这一战略被称之为“枣峄计划”。

3月22日，汤恩伯率第20军团司令部和第52军赶往台枣支线布防。在经过台儿庄时，池峰城求见了汤恩伯。池峰城问汤恩伯，第20军团何时能够南下共同夹击日军，汤恩伯回答，只要枪声一响，我们马上就回援，第31师只要坚持三天就够了。

汤恩伯离开台儿庄后，立刻布置兵力实施歼敌计划，汤恩伯命令第52军攻打峄县，命令第85军攻打枣庄。汤恩伯这一战略，其实是有他的盘算的，第52军与第85军虽然都是精锐，都是自己的老本本，但要细细区分起来，第85军在感情上才是自己一手带起来的。

于是，汤恩伯将第52军调去攻打日军主力据守的峄县，第85军则在枣庄附近进行牵制和掩护。

3月22日，日军濑谷支队沿着台枣支线进犯台儿庄，台儿庄战斗打响。赤峰城率部坚守台儿庄，战斗打得相当激烈。汤恩伯第一时间得到了消息，但他没有立刻命令第52军、第85军向峄县、枣庄之敌发起进攻，策应台儿庄，而是发去给李宗仁一份电报，声称情况发生变化，决定改变原作战计划。

3月24日凌晨，汤恩伯命令在前线的第52军掉头向北，冒着大雨向枣庄北面的鹁鸽窝、郭里集一带转进，随后又命令第85军前来汇合。

两军汇合后，汤恩伯率领第20军团进入了枣庄东面和北面的山区之中，隐伏起来。

汤恩伯不按原定计划进攻，理由是在郭里集发生了战斗。第52军在郭里集的确与日军发生了战斗，但战斗并未如汤恩伯所说全军被日军挡住，无法前进。

当时在郭里集的日军，数量并不多。在郭里集战斗结束后，52军军长关麟征请求汤恩伯令第85军配合攻击日军的沂州支队主力，汤恩伯也予以了拒绝。

而就在此时，日军主力已经被孙连仲部吸引在了台儿庄正面，此时汤恩伯部要是以少量兵力牵制枣庄之敌，亲自率领第20军团主力南下，迅速与孙连仲部汇合，围歼日军主力是非常有利的。

实在不行，集中主力歼灭枣庄的日军，再挥军南下救援孙连仲部，也是一个不错的战略，但是汤恩伯两个方案都没选，选了第三个方案，就是收拢两军向山区隐伏起来。

3月26日下午，关麟征派出参谋长姚国俊和第25师参谋长覃艺之等人到抱犊崮山区去找汤恩伯，请示作战计划和命令。汤恩伯告诉姚国俊等人，日军猛攻台儿庄，看来台儿庄是守不住了，日军可能会提前冲破运河南下。

汤恩伯最关心的是，一旦日军突破运河南下，第20军团将成为日军首要攻击的目标，他最担心的是这个问题。

3月27日，台儿庄之战已经进行到了第5天。在这5天时间里，汤恩伯既不攻击枣庄，也不攻击峄县，也不南下前后夹击台儿庄之敌。

第20军团6万多精锐全部闲置在枣庄以北山区，按兵不动，隐伏不出。

孙连仲部迟迟等不来增援，日军攻入台儿庄内部。李宗仁见状不得不改变战略，先调集主力围歼台儿庄正面之敌，然后解决枣庄、峄县之敌。

李宗仁亲自给汤恩伯发去电报，让他火速派兵南北夹击台儿庄之敌，不得有误。

汤恩伯得到电报后，于27日晚上9点钟命令关麟征、王仲廉率部夹击台儿庄之敌。然而，汤恩伯又一次食言，他认为日军主力还在峄县徘徊为由，命令第85军全部留在山区，命令第52军派出3个团南下策应台儿庄守军，攻击日军。

汤恩伯的这一举动，让第52军军长关麟征觉得反感。关麟征认为汤恩伯一再将85军调在后面休息，第52军却总是冲锋在前，这种亲疏有别的做法一次又一次伤透了52军士兵的心，于是关麟征拒绝执行汤恩伯的命令，原本要派出去的3个团，也没有了下文。

3月28日晚上10点钟，台儿庄守军苦战了6天6夜，也没有看到半个援军的身影。李宗仁第4次给汤恩伯发去电报，让他赶紧率部来援，李宗仁在电报中言辞激烈。

汤恩伯于是于29日下午，才命名第20军团出山向峄县东南方行进。

29日下午，日军攻击台儿庄的兵力增加到了16000余人，台儿庄守军期待援军望眼欲穿，战场情况危急万分。但是汤恩伯部行动依然迟缓，一直到了30日凌晨，第52军主力才抵达台儿庄以北25公里处的兰陵镇。

4月3日，各部对日军发起总攻击，但汤恩伯部还是拖延避战，仅第52军在牛庄歼灭了日军180人外，并没有多大举动。4月5日，蒋亲自给汤恩伯发来电报，蒋对汤恩伯率领第20军团在台儿庄作战半个多月，竟无尺寸之功非常不满。

若再这样，将以军法论处。

汤恩伯到此时才着急了，于是亲自到前线督战，第20军团各部也行动迅速，日军濑谷支队和坂本支队被击溃，被迫放弃阵地北逃。

4月7日，台儿庄内的日军被全部肃清，台儿庄大捷完成。

台儿庄战役纪念碑

1980年代，第52军参谋长姚国俊在回忆录中，详细记录了台儿庄战役中汤恩伯消极避战的经过，为我们留下了这一段鲜为人知的历史，揭开了汤恩伯保存实力，消极避战的实情。

李宗仁在晚年的回忆录中，同样也记录了此事。

从姚国俊和李宗仁等人的回忆录来看，汤恩伯在台儿庄战役中的消极避战行为确有其事，绝非杜撰与诬陷。