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外围拼死阻援，台儿庄的内部也到了关键时刻。
4月3日，在台儿庄内与中国军队缠斗的日军，得到了第十联队和坂本支队已抵达东面地区的消息，开始孤注一掷地疯狂进攻，甚至在冲锋中使用了瓦斯毒气。
而此时苦苦死守了11天的三十一师，只剩下了1000多人，也到了最危急关头。
副师长王冠五原来是池峰城的参议，原本可以不上前线打仗，但台儿庄战役开打之后，将领越打越少，他先是代理一八六团团长，再代理副师长，但他实在撑不下去了，打电话给池峰城，请求弃城撤退。
池峰城打电话给孙连仲，孙连仲在电话里只说了一句话：“台儿庄失守，军法论处！”
中国军队在台儿庄内与日军巷战
池峰城于是给王冠五打电话：“我们不能当民族罪人！不能对不起死难的官兵！台儿庄只能死拼不能撤。明天师部就搬到城里，绝不会你们牺牲，我们活着回去！谁再说放弃台儿庄，格杀勿论！”
王冠五在电话里回了一句话：“请师长放心！”
当晚，他就组织了一支敢死队，消灭了西城的一个日军火力支撑点。
而在离台儿庄只有两公里的集团军司令总部，孙连仲虽然拒绝了属下池峰城的撤退请求，但还是把电话打给了李宗仁：“报告长官，第二集团军已伤亡十分之七，敌人火力太猛，攻势过猛，但是我们也把敌人消耗得差不多了。可否请长官答应，暂时撤退到运河南岸，好让第二集团军留点种子，也是长官的大恩大德！”
但李宗仁的回答是：“务必守至明天拂晓，如违抗命令，当军法从事！”
李宗仁后来回忆，自己当时心里也非常难过。
听到李宗仁这样说，孙连仲回话：“绝对服从命令！整个集团军打完为止！”
但此时的第二集团军，真的连预备队都打完了。
孙连仲于是再打电话给池峰城：“士兵打完了，你就自己填上去！你填过了，我就填进去！有敢退过河者，杀无赦！”
孙连仲没有食言，当晚，他以集团军总司令的身份，亲自进入台儿庄督战。
4月3日一大早开始，外围的第十联队在40多辆坦克的掩护下，开始不顾一切地向台儿庄方向拼死突击。伤亡惨重，兵力已不足千人的第二十七师用尽最后的力气拼死抵抗。
而台儿庄的日军调集三十多门重炮轰击庄内，也发起拼死攻击。守卫的第三十一师一次又一次组建敢死队，夺回失守的据点。打到后面实在没人了，一个姓任的特务连连长，带着炊事班顶了上来，他们捡起牺牲战友的武器，朝日军阵地冲了过去，最终全体殉国。
孙连仲在台儿庄前线
4月4日，准备围歼日军的中国军队陆续抵达攻击位置，在包围台儿庄的日军外围，形成了一个更大的反包围圈——但汤恩伯军团的主力依然没有出现。
孙连仲在4日晚下达如同遗书一般的手令：“今是我们创造光荣之良机，也是生死最后之关头……本总司令将以成仁之决心，与台儿庄共存亡。”
4月5日一早，汤恩伯军团离台儿庄仍有20公里。
