西命令二战区的几大主力部队立即后撤。
就在几大战场都慢慢归于平静的时候，中国最高军事当局却令第五战区集中兵力于徐州附近，准备再次聚歼日军。而日军则改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。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。
随后，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师团从蚌埠地区分别沿北淝河、涡河西岸北进，陷蒙城、永城后，向江苏萧县、砀山（今均属安徽）进攻；第3师团则是由蚌埠进入大营集地区，向宿县（今宿州)进攻。
在北面，第16师团由山东济宁渡运河，连陷郓城、单县、金乡、鱼台后，向江苏丰县、砀山推进；同时，第10师团将韩庄、台儿庄地区的作战交由新登录的第114师团接替后，在夏镇附近渡过微山湖，向沛县(属江苏）进攻。
日军深以台儿庄战役为耻，决心不惜一切代价击垮徐州方向的中**队，一雪前耻。为了打赢这一仗，日军将华中方面军所有能动用的资源全都动用了起来，在徐州方向集结的日军总数多达8个野战师团另3个独立混成旅团以及2个支队计23万人，另外还有300多架战机、350辆战车以及80多艘军舰炮艇。
得知徐州前线事态越来越严重之后，陈锋立即给武汉的最高当局发了一封紧急电报，建议最高当局立即放弃徐州，把部队撤到河南。盖因现在的徐州已经没有守下去的价值了，当然更没有守下去的能力了。虽然说徐州前线现在还有五十多万大军，是日军总兵力的两倍还要多。
但是第五战区的部队原本就没有多少精锐，全都是国民政府杂牌军，经过这几个月的战斗，各部队损失都极其惨重。最有战斗力的张自忠第59军在战斗之初虽然大量毙伤日军，但自身“伤亡也不下六、七千之多”。在第五十九军发往第五战区的战报上明确写有：“至17日晨，我军统计伤亡人数，第三十八师自投入临沂战役以来，伤亡近四千人，第一八0师也伤亡了二千余人”。到再次增援临沂的第59军在城西北一带集结时，全军可战之兵仅有1.3万人，而该军一战临沂前却有战斗兵员2.1万人，减员8000。
第2次临沂战役后，第59军于麟章部减员万余人，不得已张自忠遂决定将该师合并编成一个旅，约千人，归军直接指挥。而59军的另一个师180师也损失惨重，主力第39旅只剩下200多人，其余3000余人皆伤亡。第59军在两次临沂战役中伤亡数约在1.3万-1.4万之间，加上在淮河阻击战中伤亡的2000人，整个台儿庄战役，第59军伤亡约在1.5万人以上。
作为第五战区另一支主力，庞炳勋第3军团也损失惨重，庞炳勋致军委会的密电称“总计战斗兵，现不满千人”。
另外孙震的第22集团军同样损失惨重，单单一场藤县保卫战就让第22集团军第四十一军守城部队的第一二二师损失了五千余人，自师长王铭章以下全军覆没，全师只逃出十几人。在滕县以北界河、龙山一带作战的第四十五军，自一二七师师长陈离以下伤亡亦达四五千人。
除了这些战斗力较强的杂牌军以外，老蒋嫡系之汤恩伯、封裔忠的第二十军团及临时配属部队同样伤亡不小，在最初三天的作战中，仅第85军2个师即阵亡营长三员，伤二员，伤团长一员，伤亡连排长廿余员，士兵二千余人。在台儿庄战役结束之时，汤恩伯第20军团及临时辖属各部总伤亡在万人左右。
孙连仲第2集