可吃了大亏的两个大鬼子哪会善罢甘休，商议过后，便各自出动大量部队，南北并进，更大规模的向徐州进逼。
日军改以部分兵力在正面牵制国军，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。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、永城后，向江苏萧县、砀山进攻；第3师团由蚌埠进入大营集地区，向宿县进攻。在北面，第16师团由山东济宁渡运河，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师团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。5月中旬，前方越来越惨烈的战报不断传到武昌GMD军委会老蒋的案前，徐州突然面临的严重危机，使他那因台儿庄的胜利冲得有点晕乎乎的大脑一下冷静下来。老蒋突然意识到：日军的意图是要围歼徐州中国军队主力。蒋介石立即叫来何应钦、白崇禧、陈诚、封裔忠等人一块研究策划。日军的企图已经暴露，再死守徐州已不现实，何应钦等人亦主张赶紧突围，决定放弃徐州。老蒋口授给李宗仁的电令令其部力避决战，撤离徐州，火速突围。
16日，第五战区命令各部队分别向豫、皖边界山区突围。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，无所不破，大军向河南南部及湖北北部集结，各路都相继冲出重围。为避免与优势之敌作消耗战，当各路敌军向徐州步步合围时，李宗仁令所部各路守军，作稍事抵抗后，即相机撤向山区、湖沼地区，进行“化整为零”的游击战，与敌人纠缠了月余。李宗仁与长官部官兵一应人员700余人，乘夜色经宿县、蒙城，越过敌之包围圈移驻潢川。留守徐州城的刘汝明部在萧县一带伏击日军第9师团，对日军造成重大伤亡。日军见中国军队大部已走，企图于徐州城围歼刘汝明部。刘汝明部佯作死守状，及见各路大军撤尽，根据蒋介石的命令，放弃徐州城，巧妙地跳出日军数十万大军的重围，安全转移。敌军不但没有击溃刘汝明部，甚至连一个上尉也没有捉到。日军的华中派遣军的13师团一路杀来，发现李宗仁唱了一出空城计，又令一心想争功的华北方面军大感挫折，日军伤亡了万余人的代价，得到了一座空城。
这场耗时几个月的会战，终因中国军队的主动撤退而降下了帷幕，伤亡惨重、内忧外患的孙玉民部二十师五月初奉命撤退到了许昌，进行了新一轮的整训。
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