矶谷师团见救援无望，决定以死相拼，一个个杀红了眼。国民党军队虽以5倍的兵力围攻，并付出极大的伤亡代价，但难以将敌人消灭，战争一时呈胶着状态。
4月3日，李宗仁下达总攻击令。第20军团汤恩伯部之第52军、第85军、第75军在台儿庄附近向敌展开猛烈攻势。日军拼力争夺，占领大部分街市。国军展开街垒战，逐次反击，肃清敌人，夺回被日军占领的街市。
次日，中国空军以27架飞机对台儿庄东北、西北日军阵地进行轰炸。当晚，日军濑谷支队力战不支，炸掉不易搬动的物资，向峄县溃逃。
4月7日凌晨1时，第五战区吹响了反攻的号角，以孙连仲第2集团军为主组成的左翼兵团和以汤恩伯第20军团为主组成的右翼兵团在台儿庄及其附近地区大举反攻。一直防守遭攻的孙连仲部，听说反击，神情振奋，命令一下，杀声震天。
双方便展开了巷战、肉搏战，一时间，台儿庄城内枪林弹雨，血流成河。日军头一次遭到了国民党军队的如此顽强进攻，很快便溃不成军。台儿庄北面，枪炮声渐密，汤恩伯军团已向敌人开火。矶谷知已陷入反包围圈，开始动摇，下令部队全线撤退。此时敌军已成强弩之末，弹药汽油也用完，机动车多被击毁，全军丧魂落魄，狼狈逃窜。李宗仁命令部队猛追，敌兵遗尸遍野，各种辎重到处皆是，矶谷本人率残部拼命突围。
激战4天，国军重创日军濑谷支队、坂本支队，其余日军残部于7日向峄城、枣庄撤退。是役，在李宗仁的亲自指挥下，击溃日军第5、第10两个精锐师团的主力，歼灭日军2万余人，缴获大批武器、弹药，严重地挫伤了日军的气焰，是国民党战场在抗战初期取得的一次大胜利。
消息传来全国振奋，此战极大地增强了全国军民抗战必胜的信心，鼓舞了抗日军队的士气，用胜利的事实证明了“亡国论”是没有根据的。
同时，台儿庄战役的胜利，改变了国际上对中日战争前途的看法。抗战爆发以来，国际上对中国抗战的前途大多抱悲观的看法。台儿庄战役胜利的消息传出，有的国家甚至不敢相信。这次胜利提高了中国在国际上的地位，并为争取外援增添了有利条件。
不过当漫天都是台儿庄大战胜利的消息的时候，是有人喜有人忧，喜的人自然是蒋委员长和一些不明真相的国人，而忧的是马铮和日军。
日本人吃了败仗，忧心是可以理解的，但马铮作为一个中国人他在担心什么？
马铮是担心接下来的战局，作为一个熟悉历史的指挥官，马铮自然之道台儿庄会战的胜利不过是局部战场的一次小胜，并不足以扭转中日这场民族之战的战局。
在接下来的大战中，国民政府将会再次被小鬼子打的找不着北。不但会把南北交通枢纽徐州丢了，甚至于还会将大半个河南也丢了。
尽管熟知历史，但是马铮却无法帮助国民政府。一来是他位卑言轻，就算是向老蒋建言也不会有人听的。二来鞭长莫及，他的独七旅现在驻扎在察南，距离徐州站场足足数千公里，就算是有心帮忙也无能为力。