18日晨，先头部队与敌濑谷支队63联队遭遇，交战一日，退守纸坊。3月20日，军主力部队全部到达韩庄、利国下车，沿运河布防。是役，52军在各友军协同作战下，较出色地完成了台儿庄外围的攻坚任务。
台儿庄大捷，举世震惊，也令日本天皇震怒。日方积极调兵遣将，除第5、第10两师团外，新调101、103、105三个师团之一部，继又增调山下与酒井师团之一部，企图强渡大运河，切断陇海线，会师运河站后西取徐州。一时间战云密布，一触即发。为实现滞敌前进，贯彻我持久战略方针，各军团均以防御为主，取守势，故而重新调整了军事部署。汤恩伯军团则转进至台儿庄东南地区，军团部设在滩上，52军担任连防至艾山一带防守。
23日晨，日军的步兵3个大队在飞机、大炮配合下，从三个方向150团阵地发起猛攻。高团长与娄浩卿、曹云剑、汪玉振三营长率全团官兵奋起抵抗，予敌人迎头痛击，双方展开白刃战。天黑时，两队来犯之敌已被我消灭殆尽。次日，敌又增加兵力，配轻重炮四五十门，飞机数十架、战车30余辆，向我高团猛攻，高鹏团长亲率两营断后，与敌浴血奋战，双方伤亡惨重，阵地失而复得。关麟征军长见150团伤亡过大，不宜再与敌硬拼，即令高鹏团撤离阵地。高鹏慨然地说:“此地战略上至关重要，我若撤退，则后方部队不能如期接济，我所以拼死据守，正是为此。今士卒多已牺牲，我岂能苟且偷生？现在正是我以身殉职的时候，何惜微躯？”高团长看已经牺牲的娄、曹、江三位营长和战士们的尸体，怒火中烧，厉声问战士们：“战事甚危，寡不敌众，愿战？愿退？”话音未落，大家齐声答道：“愿随团长效命，绝不撤退！”于是高鹏再次率部反击，毙敌百余。正当激战方酣之际，一颗流弹击中高团长的前胸，高裹伤再战，拼死御敌。关军长再令撤退，高仍不从命。
至下午2时，关又以电话招之：“我们将来报国之日尚多，兄可退兵……”其意恳切，极为感人。这时，高鹏虽已负伤，却一直避而不谈，答：“这里守不住，全军难保！”说罢，又竭尽全力，继续督战。不料，又一颗流弹击中高头颅，从此，一代英豪为国捐躯。全团官兵生者不过数十人，见团长阵亡，挥泪奋起，又杀敌百余。终因敌众我寡，战至最后，大部成仁。日军为之付出的代价，更数倍于我军。
连防山失守，我52军主阵地完全暴露在敌人面前，敌机连日在上空盘旋侦察，有进攻虎皮山迹象。73旅经过昼夜之努力，将防御工事加固，严阵以待，准备与敌决一死战。第三天，敌军果然在飞机大炮掩护下向我虎皮山攻击，73旅官兵以逸待劳，奋力迎敌，打退了敌人两次猛攻。次日，敌佯攻虎皮山，主力则攻打艾山西，企图切断我艾山与虎皮山之间的联系，战况更为激烈。与此同时，第2师驻地亦遭敌频繁出击。4旅7团（团长刘玉章）驻守大袁庄、涧沟一带，正是敌主要攻击目标，激战数日，双方均有重大伤亡。关麟征从望远镜中数次看到驻地遭受成群敌机轰炸和炮火轰击，整个村庄完全笼罩在硝烟火海尘土之中，知刘团处境艰难，数次以电话询问情况。刘答：“报告军长，这算不得什么！请军长放心，有我刘玉章在，阵地决不会丢失！”由于他团防御得力，其防守阵地在强敌多次猛攻之下寸土未失。
27日夜，敌向我半步店子、虎皮山阵地强攻，我守军在半步店子小街上与敌展开巷战、肉搏战达两个小时之久，敌因伤亡过大，不敢恋战，遗尸甚多，狼狈溃逃。
邳北防御战以禹王山、连防山、展庄之固守胜利而告终。52军经过鲁南和邳北作战，全军官兵伤亡过半，计阵亡团长1人，负伤团长2人，校尉级军官死伤多人；敌伤亡人数更多，据1938年6月日本华北方面参谋部第三课编制的资料，日本第5师团战死1281人，负伤5478人；第10师团战死1088人，负伤4137人。
李宗仁将军以52军作战时间久，官兵伤亡大，令李延年率所部第2军接替第52军邳北防务。52军于5月13日开往徐州附近集中，然后转后方整休。
艾山为证，关麟征将军所率52军是一支特别能战斗的队伍，那种英勇抗日、威武不屈的革命精神永远留在邳北人民心中。