中國最高軍事當局令第五戰區集中兵力于徐州附近,準備再次聚殲日軍。日軍改以部分兵力在正面牽制對方,主力向西迂迴,企圖從側後包圍徐州,殲滅第五戰區主力。4月18日,日軍第1o、第5師分別從山東嶧城(今屬棗莊)和臨沂西北的義堂地區南進,對守軍第2集團軍和第2o、第3軍團及第27軍團第59軍實施牽制性進攻。守軍頑強抗擊,至月底,將日軍阻止在韓莊、邳縣(今邳州)和郯城一線。5月5日,日軍開始從南北兩個方面向徐州西側迂迴包圍。在南面,第9、第13師從蚌埠地區分別沿北淝河、渦河西岸北進,至13日,陷蒙城、永城(屬河南)後,向江蘇蕭縣、碭山(今均屬安徽)進攻;第3師由蚌埠進入大營集地區,向宿縣(今5a8宿州)進攻。在北面,第16師由山東濟寧渡運河,至14日,連陷矍、單縣、金鄉、魚臺後,向江蘇豐縣、碭山推進;第14師從河南濮陽南渡黃河,陷山東菏澤、曹縣後,直插河南蘭封(今蘭考);同時,第1o師將韓莊、臺兒莊地區的作戰交由第114師接替後,在夏鎮附近渡過微山湖,向沛縣(屬江蘇)進攻。5月中旬,前方越來越慘烈的戰報不斷傳到武昌國民黨軍委會蔣介石的案前,徐州突然面臨的嚴重危機,使他那因臺兒莊的勝利衝得有點暈乎乎的大腦一下冷靜下來。蔣介石突然意識到:日軍的意圖是要圍殲徐州中隊主力。若徐州那5o個精銳師被日軍吃掉,我還抗什麼戰?蔣介石立即叫來何應欽、白崇禧、陳誠等人一塊研究策劃。日軍的企圖已經暴露,再死守徐州已不現實,何應欽等人亦主張趕緊突圍決定放棄徐州。蔣介石口授給李宗仁的十萬火急電令:
第5戰區司令長官李宗仁:軍委會着令你部力避決戰,撤離徐州,火速突圍。
一、顧祝同第24集團軍在蘇北,第69軍及海軍6戰隊在魯中南原地堅持抗戰。
二、劉汝明第68軍爲全軍後衛,掩護主力轉移。
三、第5戰區其餘各部,立即向豫皖邊區突圍……
16日,第五戰區命令各部隊分別向豫、皖邊界山區突圍。中隊且戰且退,陣形不亂,按部就班地向西、向南撤退。日軍阻一處,中隊衝一處,無所不破,大軍向河南南部及湖北北部集結,各路都相繼衝出重圍。爲避免與優勢之敵作消耗戰,當各路敵軍向徐州步步合圍時,李宗仁令所部各路守軍,作稍事抵抗後,即相機撤向山區、湖沼地區,進行“化整爲零”的游擊戰,與敵人糾纏了月餘。5月18日黃昏,李宗仁與?a8す儼抗儔揮o嗽?oo餘人,乘夜色經宿縣、蒙城,越過敵之包圍圈移駐潢川。留守徐州城的劉汝明部在蕭縣一帶伏擊日軍第9師團,對日軍造成重大傷亡。日軍見中隊大部已走,企圖于徐州城圍殲劉汝明部。劉汝明部佯作死守狀,及見各路大軍撤盡,根據蔣介石的命令,放棄徐州城,巧妙地跳出日軍數十萬大軍的重圍,安全轉移。敵軍不但沒有擊潰劉汝明部,甚至連一個上尉也沒有捉到。日軍的華中派遣軍的13師團一路殺來,發現李宗仁唱了一出空城計,又令一心想爭功的華北方面軍大感挫折,日軍傷亡了萬餘人的代價,得到了一座空城。5月下旬,各路大軍按命令的路線,全部安全撤抵皖西、豫南地區。日軍沿隴海鐵路西進,6月6日佔領開封。爲阻止日軍前進,蔣介石9日下令在鄭州東北花園口附近炸開黃河大堤,河水經中牟、尉氏沿賈魯河南泛。日軍被迫向黃泛區以東地區撤退。會戰結束。
此役,中隊廣大官兵英勇奮戰,首先在南線將日軍阻止在淮河南岸,打破其與北線日軍會合的企圖;繼而在北線將東路日軍擊敗於臨沂地區,又將西路日軍之右翼阻止在嘉祥地區,粉碎日軍在臺兒莊會師的計劃。在臺兒莊地區作戰中,第五戰區採取積極防禦戰法,以一部擔任內線防禦,另一部置於外線作戰,攻防結合,靈活機動,獲得大捷。隨後,最高軍事當局不顧敵強我弱的總體形勢,調集大軍在徐州附近,企圖與日軍決戰,因而使會戰在後期陷於被動。儘管如此,這次會戰消耗了日軍有生力量,遲滯了日軍進攻速度,爲部署武漢保衛戰贏得了時間。
中方傷亡:1,龐炳勳第3軍團截至3月26日,龐部已傷亡殆盡,龐炳勳致蔣介石密電稱“總計戰鬥兵,現不滿千人”。結合徐祖貽致李宗仁電“龐軍兵力損失過巨…已失戰鬥力”,即便考慮到龐有5a8保存力量誇大傷亡的因素,按龐部戰鬥兵萬人計,亦可約略看出龐部傷亡當在8ooo人以上。
2,張自忠第59軍劉景嶽和於麟章在回憶文中稱,該軍在最初三天(3月14、15、16日)的激戰中,大量斃傷日軍,但自身“傷亡也不下六、七千之多”。顧相貞證實此說,至17日晨,該軍統計傷亡人數,“第三十八師自投入臨沂戰役以來,傷亡近四千人,第一八o師也傷亡了二千餘人”。《山東省志.軍事志》採信此說,稱“至17日,(第59軍)傷亡7ooo餘人”。郭汝瑰《中國抗日戰爭正面戰場作戰記》一書亦採信此說,稱“至17日上午,第59軍已傷亡6ooo餘人”。迨至21日臨沂戰役第一階段結束,於麟章稱“傷斃敵軍約六千人…我軍傷亡人數也在八千人”,顧相貞稱第59軍“傷亡官兵近九千人”。第59軍戰鬥詳報則證實了此數據,24日,再次增援臨沂的第59軍在城西北一帶集結時,全軍可戰之兵僅有1.3萬人,而該軍一戰臨沂前卻有戰鬥兵員2.1萬人,減員8ooo。
通過下屬單位的傷亡也大略看出第59軍傷亡之慘重。原第38師第113旅旅長李致遠在回憶文中稱,僅在15-18日的劉家湖戰鬥中,“第二二八團原有兩千餘人,損失半數以上;第二二四團也傷亡近半數。”從3月14日至19日,59軍成建制戰死者計有第26旅第678團(團長崔振倫,在進攻朱陳鎮戰鬥中,該團另有一營人犧牲過半)第2營,第113旅第226團第6、1o連,114旅227團第12連。時任第59軍軍部參謀處作戰科少校參謀的王丕廉在回憶文中稱:“經過三晝夜的激烈戰鬥,我方僅連長就傷亡一百餘員,士兵傷亡五分之二”。
考慮到第59軍傷亡過重,早在3月16日,徐祖詒即建議該軍撤出戰鬥,轉往郯城修整,被張自忠拒絕。
5a8;第2次臨沂戰役後,於麟章稱第38師“減員萬餘人”,張自忠遂決定將該師合併編成一個旅,約千人,歸軍直接指揮。據18o師39旅參謀長楊遇春回憶文稱,該旅“只剩下2oo多人,其餘3ooo餘人皆傷亡。”楊作爲旅參謀長,提供的本旅戰鬥傷亡人數數據應該是可信的。