前线激战正酣。但日军的真实意图是从南北两个方面向徐州西侧迂回包围，用20万人包围歼灭这一带的国军主力60万。南面，日第6师团板井支队4月23日从芜湖出发，连陷巢县、庐州。第101师团佐藤支队4月24日从东台出发，先后占领盐城、阜宁。由于国军的主力大部分集中在北部，这两路日军并未遭到顽强阻击而得以长驱直入。

　　时值淮北大旱，河水干涸，日军的机械化优势得以充分发挥。5月4日，集结在凤阳、蚌埠、怀远一带的日军第3、9、13师团分别沿北淝河、涡河西岸北进，13日攻陷蒙城、永城后向江苏萧县、砀山进攻。在徐州主战场的西南方，日军已经出现在中国主力的侧后。

　　5月9日，日军第16师团从济宁出发强渡运河占领郓城。同时，第14师团从河南濮阳南渡黄河，陷山东菏泽、曹县后，直插河南兰封，一举切断了陇海铁路。15日，南路日军第16师团快速挺进队与北路日军在陇海路上会师。在阻断郑州方面国军增援的同时也堵住了徐州国军主力向西的退路。16日，日军第10师团已经距离徐州只有6公里。至此，日军对徐州的战略包围初步形成。

　　到5月中旬，日军在徐州西侧布下的一张大网在慢慢张开并逐渐收紧。徐州国军突然出现的严重危机，使蒋介石那因台儿庄胜利有点发热的大脑刹那间又冷静下来。他突然意识到日军的目的就是要围歼徐州国军主力50个精锐师。日军的战略企图既然已经暴露，再死守徐州不但不现实而且也失去了意义。何应钦、白崇禧、陈诚等人亦主张趁日军包围圈还没收紧的时候尽快突围。这次蒋介石没有犹豫，迅疾向第五战区下达了放弃徐州的撤退命令。

　　尽管南北两路来势凶猛，但日军毕竟兵力有限，在徐州附近形成的包围圈四处都是缝隙和漏洞。徐州战场的撤退与淞沪和南京的撤退形成了鲜明的对比。在第五战区得力有效的组织下，从5月16日开始，中国军队且战且退，阵形不乱，按部就班地向西、向南撤退。日军阻一处中国军队冲一处，各路人马相继冲出重围，陆续向河南南部及湖北北部集结。

　　李宗仁与长官部官兵700余人越过敌之包围圈移驻潢川。留守徐州城的刘汝明部佯作死守之状，见各路大军撤尽即立即放弃徐州，巧妙地跳出日军的包围圈安全转移，上演了一出现代版的空城计。

　　5月19日，日军占领空城徐州。

　　日期：2015-11-2522:38:40

　　第五战区国军主力撤走之后，徐州以东的豫东地区还有国军20万大军，而孤军深入此地的土肥原贤二第14师团只有两万多人。国军的20万大军基本上都是战斗力很强的中央军部队。蒋介石试图在豫东地区再打出一个台儿庄大捷，下令薛岳带领孙桐萱、黄杰、李汉魂、桂永清、俞济时、宋希濂等部12个师围攻日第14师团。一场围绕兰封展开的小范围围歼战随后打响。战斗最危急的时候日军被迫龟缩在一个小寨子——三义寨里负隅顽抗，连土肥原贤二的军刀都被国军缴获。但由于组织协调不力，加上几路日军援军很快逼近，这一战役最终仍以国军败退收场。规模并不大的“兰封会战”被蒋介石自称为“战史上之千古笑柄”。恼羞成怒的蒋介石甚至为此枪毙了作战不力的中央军88师师长龙慕韩。

　　随后，日第5、14、16、114师团开始对西撤国军一路狂追。6月6日河南首府开封陷落。日军前锋距离平汉、陇海南北两大干线的交汇点郑州只剩下70公里的路程。

　　为阻止日军快速推进，中国统帅部无奈做出决定，于9日下令在郑州花园口附近炸开黄河大堤。滚滚黄河之水咆哮而出，开始肆虐豫、皖、苏三省，形成了五十余万平方公里的黄泛区，将南北两路日军彻底隔绝。进攻跑的最快的日第14、16两个师团部分部队也被包围其中。第14师团的一部被洪水围于中牟县城。位于泛滥区中心的日军第16师团一部来不及撤走的车辆、火炮、战车等重武器均沉于水底，大批士兵被冲走或淹死。为了解救被洪水围困、补给断绝的部队，日军被迫实施了空投，随后也只能派出舟艇和工兵部队将被围日军救走。泛滥区以东的日军也只能望洋兴叹，被迫向黄泛区以东地区撤退。

　　徐州会战至此结束。中国军队投入兵力60万人，伤亡超过了10万余人。日军投入兵力约24万人，伤亡近3万人。

　　徐州会战尽管仍以国军的失败告终，但中国军队在会战中的表现已经可圈可点，甚至能在局部打出漂亮的短传配合。更重要的是，国军坚守徐州地区长达5个月之久，充分实现了“以空间换时间”的战略目的，为中国军队在武汉的集结、布防赢得了宝贵的时间。

　　日军在兵力不足的情况下仓促发起的徐州会战照样没有实现“导致中国丧失战斗意志”的战略目标。由于当时日本国内新的扩军计划尚未完成，根本无法从国内增派军队，只好拆东墙补西墙从本来就已经不足的侵华日军中调集部队。此举不但使参加徐州会战的兵力不足，无法完成围歼徐州60万中国军队的任务，还造成留置后方守住所占之地的兵力更加捉襟见肘。第14、16师团的参战导致原来的防地被国军光复。在晋南的日第20师团甚至被国军昼夜围攻。当时日军无任何兵力可供调动增援，无奈只有采取空投进行补给，补给不足的第20师团不得不以抢掠民间粮食以及野菜、树叶、青草充饥。陷入困境的绝不仅仅只有第20师团，被日军占领的华北所有地区都呈现不稳态势。徐州会战之后，日军战略主导能力开始逐渐减弱，速战速决的战略目标已经南柯一梦。

　　1938年6月9日，国民政府下令在武汉的政府各机关、中央党部、各大学及由沪迁来的工厂等向重庆、昆明转移，尽快完成以川、滇、贵为西南大后方的战略部署，贯彻执行“以空间换取时间”的战略方针。

　　同日，蒋介石再次发表声明，宣称“当前战局的重点不在于一个城市、一个地区的防御成功与否，今后的战争将在山岳地带进行”，要“始终保持我军之战斗力，尽量消耗敌人的力量，使我军达到持久抗战之目的”。