15日，日军协同火炮、战车前来增援，同时分兵一部，直驱大长沟切断第三集团军各部后路。第三集团军入城部队在弹药供给不济的情况下与敌肉搏至夜，九个连的战士全体壮烈殉国。

在济宁西南城策应的第三集团军曹福林部也曾一度攻入火车站，但也无力扭转战局；12军81师于13日夜一度攻入汶上北关，与敌肉搏4昼夜，伤亡2000余人，无力分兵侧击济宁，谷良民部终因腹背受敌伤亡惨重不得不撤出战斗至南旺镇至水流店一线设防，12军第81师奉命撤回方河镇延运河设防。

夜袭敌人机场

孙桐萱、曹福林等率军在微山湖西嘉祥一带对日军持续中展开消耗作战，有力打击了敌人入侵鲁西的企图，国民政府军事委员会曾致电加冕。至1938年3月23日台儿庄战役打响，第三集团军在济宁、夏镇、滕县一线侧击日军。

当时，对第三集团军威胁最大的是日军飞机的狂轰滥炸。第五战区司令长官李宗仁命令孙桐萱设法打击敌人军用机场。孙桐萱当即命令第12军20师挑选劲旅组成敢死队，于3月27日夜摸到大汶口机场附近，趁敌人不备，攻入机场，烧毁了油库弹药库摧毁了敌机多架，使敌人一时之间失去了空中优势，其空军无法南下增援台儿庄。对台儿庄大捷起了重大作用。

安境、保民

1938年夏，第三集团军调归第九战区指挥管辖，在江西参加武汉会战。孙桐萱虽然是集团军司令，但实际上仅辖第12军。武汉会战后，第三集团军在江西休整至10月下旬便奉命北上前往郑州，担任花园口至周家口以北黄河防务。孙桐萱将集团军总部设在郑州市的陇海花园，期间，他带领第三集团军的将士为滞留在郑州附近的大批难民兴办被服厂，招收工人，以图解决难民的生活问题。当孙桐萱发现全国性的高校西迁潮导致滞留在其辖区内的流亡青年和第三集团军随军子弟的教育成了问题时，立即创办了荫亭中学，使军人子弟和普通民众可以继续学习文化课和军事知识，所有的费用均由军中支付。在农忙时节，孙桐萱带领部队到农村帮助播种、收获，并设置了军警维持治安。由此，第三集团军在辖区内和民众形成了良好的关系。