臺兒莊位於山東嶧縣東南，北接津浦路的臺棗支線（臺兒莊至棗莊），南臨隴海鐵路，西南距徐州五十多公里。大運河從莊南流過，水深兩米多，自古便是魯南的水陸碼頭。
臺兒莊名為“莊”，實際上是一座有環繞寨牆並有六個寨門的市鎮，寨牆雖兩丈餘髙卻由磚土砌成，六個寨門分別是：西門、西北門、北門、東門、東南門、南門。城北是一片開闊地，矗立著大小碉樓數十座；西面是鐵路；東面散佈著村莊。
第五戰區司令長官李宗仁後來記述，他對日軍狂妄地孤軍深入是有所預見的：“我當時的作戰腹案，是相機著湯軍團讓開津浦路正面，誘敵深入。我判斷以敵軍之驕狂，磯谷師團長一定不待蚌埠方面援軍北進呼應，便直撲臺兒莊，以期一舉而下徐州，奪取打通津浦路的首功。我正要利用敵將此種心理，設成圈套，請君入甕。”
由此，李宗仁擬定的作戰計劃的要義是：湯恩伯部提前集結於嶧縣以北，臺兒莊防禦僅僅是正面阻擊和牽制，待沿臺棗支線南下的日軍被阻擋在臺兒莊時，湯恩伯部將從日軍的側背突然發起攻擊，壓縮並殲滅日軍於微山湖畔。這計劃的合理之處在於：南下冒進的日軍兵力不多，且深入了中國軍隊陣線的腹地，只要不讓日軍很快地衝過去，在湯恩伯部主力的包抄側擊下，冒進的日軍定會陷入進退兩難的境地。這時候，只要中國軍隊勇猛出擊，緊密配合，完全可能給予南下的日軍以重創。——這個先把主力藏起來，然後再殺回來的戰術，被李宗仁稱為“軸迴旋”。
之所以選擇湯恩伯的第二十軍團擔任側擊主力，根本原因還在於湯恩伯部屬於精銳的中央軍部隊。
軍團下轄第十三、第五十二、第八十五軍。第十三軍軍長由湯恩伯兼任，下轄第一一〇師，師長張軫。第五十二軍軍長關麟徵，下轄第二師，師長鄭洞國；第二十五師，師長張耀明。第八十五軍，軍長王仲廉，下轄第四師，師長陳大慶；第八十九師，師長張雪中。
“該軍團裝備齊全”，是當時中國陸軍中的“精華”。
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