1930年3月下旬，韩部进抵鲁西南之曹县、成武、定陶、菏泽、巨野一带，总部设在济宁。4月8日，蒋介石到徐州召开军事会议，韩复榘、陈调元、刘峙、顾祝同、马鸿逵等与会。会议决定陈、韩两部换防，陈部调鲁西，韩部调鲁北，委韩为第一军团总指挥，担任山东全省防务；陈调元二十六军、马鸿逵第十五路军和胶东小军阀刘珍年二十一师，统归韩指挥。
韩复榘因蒋介石对自己的信任和重用，十分感激，但也感到责任重大，且风闻刘珍年与阎锡山早有勾结，二十六军归己指挥也不十分情顺理便，颇有难色。蒋介石则乘机对韩用心，加以劝慰鼓励，以稳定其心志。但是，蒋对韩仍不十分放心，故又以协助为名，派蒋伯诚到韩部为联络员（实是监军），以监视韩的行动。
4月18日，陈、韩换防，韩复榘总部移驻济南，按蒋介石的军事部署，韩复榘第一军团的任务是扼守黄河南岸，阻止晋军沿津浦路南下。陈调元布防鲁西南济宁、曹州一带，会同马鸿逵阻止石友三部。
5月初，韩、陈两部换防甫毕，陇海路方面即开始了激战。石友三部由河南考城、山东东明进攻曹州、定陶。蒋介石除急令陈调元、马鸿逵两军进行阻击外，还电请韩复榘抽调3个旅开赴鲁西南进行协助。韩因与石的关系特殊，不愿与石作战，便借口鲁北晋军已开始蠢动，济南防务吃紧，不仅不肯抽兵南下，反而电告蒋介石，请调回陈调元二十六军到鲁北，否则，第三路军亦应全部集中于济南一带，实难兼顾鲁西。蒋介石无奈，只好答应他第二个请求，准其第三路军向鲁北开进。
因为鲁北防务确实空虚，而津浦路的防守关系全局，韩原本是冯系悍将，其态度如何，事关重大。蒋介石虑及此情，对韩复榘不能不格外关注。首先是稳住他，不致发生意外。但光稳住他还不行，还要进一步鼓励他，想法买通他，使之为自己卖力，争取战争胜利。鉴于此，5月10日，蒋介石特请陆军署长曹浩森偕同来到济南召集韩复榘与陈调元谈话。因曹原是西北军参谋长，是韩的老上司、老相识，对韩说话方便有效。蒋介石讲话，说了一下战局形势，对韩进行一番鼓励之后，便通过曹浩森转达其意，向韩疏通，以山东地盘相许，即战争胜利后委韩为山东省政府主席，并向韩保证二十六军和第十五路军一俟鲁西战事结束，仍调回津浦方面，归还第一军建制。韩对此许诺感到称心如意，当即表示，一切绝无问题。蒋之目的达到，放心回到徐州。随后，韩复榘第一军团总部组成，以张钺为参谋长。
5月上旬，晋军开始进攻。傅作义部由德州向平原、禹城一带搜索推进。时晋军兵力共6个军（傅作义、冯鹏翥、李生达、丰玉玺、秦绍观、张会诏），气势恢弘。然而5月下旬，陇海路方面冯军失利，为策应冯军，晋军不得不倾尽全力，兵分三路向南进击。中路沿津浦路正面进攻平原、禹城；西路进攻东阿、平阴；东路则向青城推进。韩复榘令徐桂林的五十九旅防守青城，令万国珍的六十旅防守东阿；他本人与孙桐萱、谷良民率展书堂的八十五旅和荣光兴的八十七旅赴禹城御敌正面。因韩军刚调防山东，远途跋涉，疲惫不堪，接战不利，势渐不支，于是电请蒋介石将十五路军北调增援。蒋电复韩，准予撤守黄河南岸，拆毁铁路，以待援军，准备反攻。6月2日，韩部撤守黄河南岸，拆毁津浦路黄河铁桥。而晋军东西两路则分别由青城和东阿渡过黄河，未遇抵抗，即长驱直入。西路直逼泰安，并向济南迂回前进。阎锡山委任石友三为山东省政府主席，并设省府于德州，暂由秦建斌代理主席职务，石友三仍在前线指挥作战。但是阎锡山对石非常不信任，在暗中操纵山东当地的青红帮与石捣乱。并且在晋军进入山东后，占领一县就委派一县的县长和税务局长，使石友三的省主席成了空头职位，招致了石的严重不满。及至后来在北平组织政府时，石意欲谋得军政部长职位，就石部当时在战场上的地位来言，实应敷衍一番，以安其心。而阎锡山则又以“石友三反复无常，贪得无厌，又是一个粗人”为理由，坚不同意。阎对石背叛冯玉祥，替蒋介石打头阵攻太原记忆犹新，故有以上认识，却忽略了石在当时反复的可能。结果石友三气的停战不前，开始观望。更为严重的是石友三于冯军在陇海战场展开八月攻势的时候竟以东北同乡的身份与张学良联系，准备休战投张，另起炉灶。石友三致张的电报称阎锡山狡猾无信，排斥友军，万难与共大事，愿率部北上，听张指挥云。
6月中旬，为阻止晋军东路由青城南进，韩复榘急令曹福林率荣光兴八十七旅、乔立志旅及徐桂林旅组织反攻，展开激战，五十九旅旅长徐桂林阵亡。为确保胶济铁路无虞，留有东撤退路，韩复榘亲临前线督战，向晋军猛攻，方将晋军东路打退。
6月21日，晋军发起全面进攻，韩军不支，24日退出济南以西阵地，济南至泰安交通断绝。为保存实力，韩复榘借口援兵未到，退出济南，向胶东撤退。
韩复榘向胶东撤退，令蒋介石大伤脑筋。早在6月中旬，晋出境军西路进逼泰安时，韩即有撤退至胶东之意。其联络员蒋伯诚劝阻他，要他确保津浦铁路交通，实不得已，也只能向南撤退至泰安、兖州一带。但韩不听劝阻，终于东撤。这就迫使蒋介石不得不另行调集兵力，组织防守。
晋军占领济南后，继续增兵进击，兵分两路，东路由张荫梧为总指挥，沿胶济路东进；南路以傅作义为总指挥，沿津浦路南进。马鸿逵第十五路军北援进至泰安后，被迫南退兖州。蒋介石见此情境，一度大失所望，以为大势已去，准备全线撤退。但正在此时，他的电台截译出了石友三致张学良的密电，获知石友三与阎锡山发生矛盾，已与阎貌合神离，且有联张倒阎之意。于是蒋介石转忧为喜，打消了退却念头，重新从各地调兵遣将，准备发动反攻。不久，夏斗寅、陈诚等部相继被调来山东。
韩复榘弃济东撤，总部先移驻潍县，电请蒋介石速在津浦线发起反攻，以分敌势。蒋介石声言反攻，但援军多未赶到。韩对蒋颇为失望，曾派人与阎、冯方面接触，企图以为缓兵之计，但阎军并未受其影响而稍缓进攻。6月下旬，晋军张荫梧部沿胶济线及青城、广饶推进，攻势凶猛。韩部北线吃紧，遂下令各部次第撤至淄河东岸布防，与晋军隔河对峙。6月底，晋军发起猛攻，韩令孙桐萱的十二军担任正面阻击，令曹福林的十四军为右翼，展书堂的五十八旅及谷良民的二十二师为右翼，另派新收编的于信忱第一混成旅担任广饶、寿光一线防务。双方相持20余日，战斗至为激烈。
张荫梧一方面正面继续进攻；一方面率大部队绕道北面攻韩后方。就在这时，驻守广饶、寿光的于信忱叛变倒戈，会同晋军意欲截断韩军东去的退路。担任右翼防务的寿光民团军也成了晋军内应，偷偷地将晋军放过淄河。韩部危急，不得不下令继续东撤。韩部原拟退守昌乐南北一线，但迫于晋军的紧追死逼，立足不稳，再加阴雨连绵，道路泥泞，加重了行军的疲劳，不得已只好改令退守潍河东岸，并将总部迁移至高密，只令赵心德五十九旅留守潍县。由于连战皆败，部队损失很大，士气低沉，韩复榘情绪也十分沮丧，颇有山穷水尽之感，一度发出下野通电。后在军事联络员蒋伯诚及部下三位师长的劝勉下，才表示“撑撑看”。但仍流露出放弃胶济沿线，转至沂蒙山区打游击的念头。
在韩复榘感到山穷水尽，消极等待，表示“撑撑看”时，蒋介石在津浦线方面却出现了有利转机。在阎锡山晋军分兵东进南下之时，津浦线济南以南只有马鸿逵第十五路军防守，如果阎锡山不是兵分两路，而是集中优势兵力由济南南进，完全可以直捣徐州，形成与冯军合攻夹击陇海线蒋军的大好形势。但阎计不出此，却用主力于胶济一线，致使津浦线上兵力不足，前进迟缓，攻击不力，给蒋介石调遣兵力、组织反攻留下了余地，提供了时机。（傅作义南进曲阜受阻）同时，晋军内部开始出现矛盾，严重影响了作战。原本津浦线上的晋军第二路军以傅作义任总指挥，战事也相当顺利，不日即克济南。正当傅准备扩大战果时，阎忽命张荫梧率王靖国、李服膺两军并附炮兵两团组成的第4路军，到济南成立2、4路联合军，以张荫梧为联军总指挥。据传张在傅作义攻占济南时，给阎去了一个密电，称张学良和蒋方代表吴铁城、张群、方本仁在北戴河开会时，傅作义秘密参加了会议，要阎锡山注意这一动态。阎即加派张荫梧率两军来主持津浦战事，意在对傅监视。傅作义以涿州守城为契机与张学良结为朋友是人所共知的事，阎当时还称赞傅为“关云长”，这次却在临近决战之时换将，并把傅置于素有隔阂的张荫梧指挥之下，致使两人互相攻讦、掣肘，严重影响了津浦战局，直接导致了攻兖战役的失利，并由此引发了晋军在山东战场的全面溃败，其余波甚至造成傅作义因不受信任而脱离山西的后果。此事阎的幕僚多持不同意见，但阎坚决下令执行。直至阎失败下野后，在机要文电中检出张荫梧的上述密电，人们才得知原委。
6月底至7月下旬，蒋介石利用晋军失误提供的机会，从陇海路方面抽调第二兵团的胡宗南、蒋光鼐、蔡廷锴、杨胜治、冯铁裴、胡伯翰等部入鲁加强津浦一线。另从上海调遣李韫珩的十六军由海上运至青岛，支援韩部，反攻济南。
8月1日，蒋方反攻济南部署就绪，蒋以刘峙为津浦路方面总指挥，以陈调元、夏斗寅、马鸿逵为中路，蒋光鼐、蔡廷锴等部为右翼，沿津浦路向北推进；任命韩复榘为胶济线总指挥，督本部及李韫珩、刘珍年两部，由东向西推进。8月3日，李韫珩的十六军在青岛登陆，5日韩与李商定反攻计划。韩以二十师为右翼向潍县以北的寒亭推进；以二十九师任中路，沿铁路向潍县进击；以十六军为左翼，向潍县以南地区挺进；以二十二师及手枪旅为总部预备队；通知留守潍县的赵心德五十九旅，反攻中相机出击，攻敌后背。7日开始总攻，两军展开激战，韩军两翼进展甚速，潍县之赵旅相机策应，对晋军进行夹击，晋军不支，全线崩溃，开始撤退。韩复榘亲临前线督战。12日，第一线部队已进抵桓台、淄川一线。晋军除由一部回援济南外，其余部队已开始由青城渡河北撤。韩即令二十九师急向西北追击，力争歼敌于黄河南岸。自己则率部日夜兼程向济南迸发。
津浦线方面，自8月初蒋军反攻开始，晋军便开始全线撤退。蔡廷锴的六十师和蒋光鼐的六十一师（在反攻中被蒋介石改编为十九路军）作战英勇，屡挫晋军。晋军在泰安一线严密设防阻击，而十九路军则绕道泰山以东长驱直进，15日晨即由仲宫攻入济南。随后其他各部也相继进入济南。
刘峙于17日到济时，韩部也赶到了济南与刘峙会面，并连夜会商追击方案，决定刘珍年部由蒲台方面渡河，第三路军各部由青城、济阳间渡河，十九路军由平阴、洛口渡河，由韩复榘第一军团统一指挥，全线向北追击。第二军团奉命回击陇海路方面，由刘峙指挥，与冯军在河南继续作战。（为了策应津浦路战事，冯玉祥在陇海路指挥大军发动了强大的八月攻势，蒋军一度岌岌可危。）
8月21日，蒋介石飞抵济南，召开各级将领会议。鉴于河南方面战事方殷，决战在即，决定更改韩、刘原定计划：第一军团暂不渡河，十九路军、十六军和第二军团各部，于解决残敌后，均仍回陇海、平汉方面参加郑州会战。蒋介石就此委任韩为北路军总指挥，并任命孙桐萱为济南警备司令。韩军暂停渡河，晋军也无力反击，两军隔黄河对峙，山东战事基本沉寂。