台儿庄大捷的消息，震奋了中国人的心。

中国最高军事当局令第五战区集中兵力于徐州附近，准备再次聚歼日军。

日军则在失利后，改变作战计划，以部分兵力在正面牵制对方，主力向西迂回，企图从侧后包围徐州，歼灭第五战区主力。

4月18日，日军第10、第5师分别从山东峄城和临沂西北的义堂地区南进，对守军第2集团军和第20、第3军团及第27军团第59军实施牵制性进攻。

守军顽强抗击，至月底，将日军阻止在韩庄、邳县和郯城一线。

5月5日，日军开始从南北两个方面向徐州西侧迂回包围。

在南面，第9、第13师从蚌埠地区分别沿北淝河、涡河西岸北进，至13日，陷蒙城、永城（属河南）后，向江苏萧县、砀山进攻；第3师由蚌埠进入大营集地区，向宿县进攻。

在北面，第16师由山东济宁渡运河，至14日，连陷郓城、单县、金乡、鱼台后，向江苏丰县、砀山推进；第14师从河南濮阳南渡黄河，陷山东菏泽、曹县后，直插河南兰封；同时，第10师将韩庄、台儿庄地区的作战交由第114师接替后，在夏镇附近渡过微山湖，向沛县进攻。

由于日军已形成对徐州的四面合围态势，5月15日，中国最高军事会议决定放弃徐州。16日，第五战区命令各部队分别向豫、皖边界山区突围。19日徐州陷落。

日军沿陇海铁路西进，6月6日占领开封。为阻止日军前进，老头子下令在郑州东北花园口附近炸开黄河大堤，河水经中牟、尉氏沿贾鲁河南泛。日军被迫向黄泛区以东地区撤退。会战结束。

徐州会战，国军参战人员四十万人，战斗减员20万，非战斗减员2.2万。

前世周云在资料中看到，徐州战斗结束后，日军收缴的枪支就达到了二十多万支。