天皇见报，顿时喜出望外，亦认为这是剎住蒋介石正在进行的台儿庄胜利大宣传的嚣张气焰的大好良机，当即定案：围歼徐州中国军队，并要求：陆军此次进攻，定要取得巨大战果，不使徐州地区50个师的中国军队一人漏网，务求全歼。
为求速战速决，不失这千载难逢的良机，大本营陆军部于当日向华北方面军总司令官寺内大将、华中派遣军总司令官畑俊六大将下达第84号命令：
一、华北方面军司令官应以有力之一部击破徐州附近之敌，占据兰封以东陇海线以北之地区。
二、华中派遣军司令官应以一部占据徐州以南津浦线附近。
日大本营在动员华北方面军、华中派遣军的主力投入这场战斗的同时，还下令关东军派军支持。由于华北方面军司令官寺内寿一大将与华中派遣军畑俊六大将的官衔相同，谁也不会接受对方的指挥，因此，只有紧急派遣大本营陆军参谋本部的作战部长桥本群少将，率领参谋本部的参谋军官，在济南成立大本营派遣班，组织包括华北与华中日军的参谋军官，进行徐州会战的作战协调工作。
日军以第16、第144师团增援北线的第5、第10师团，沿津浦路向南推进，以引诱中国军队主力；以第14师团从濮阳渡黄河入鲁西南和豫东，断陇海路，从而阻遏援徐州之中国军队，亦断徐州守军退路；以第13师团在南线的蚌埠、怀远间集结；以第6、第9师团向凤阳、合肥进逼；以第101师团向苏北攻击。
5月上旬，南路日军开始北上，相继攻占徐州南面的龙元、蒙城、宿县，并攻陷徐州西边的黄口车站，包围并切断了徐州西南面的退路。
5月中旬，北路又一股日军，从淮阳强渡黄河，进入鲁西地区，迅速攻占了郸城、菏泽、金乡、鱼台等重要据点。该地区虽有孙桐萱、庞炳勋、商震等部队，但在广阔的鲁西平原上，无险可守，日军得以快速推进。北路日军与南路日军相呼应，自西北向徐州压来。此时，日军对徐州的大包围业已完成，正从四方八面向徐州突进。
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蒋介石违心下撤退令
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台独庄战役后，准备进犯、包围徐州的日军。日军在河南的渡河口。
中国军队在临沂和台儿庄的胜利，大大刺激了蒋介石求胜欲望。蒋介石为扩大台儿庄胜利成果，采取与日军针锋相对的方针，从3月下旬起，从各战区调集大批军队，使第5战区的兵力由29个师增加到64个师又3个旅，共达60万人。同时，还将中央军胡宗南、黄杰、桂永清、俞济时、宋希濂等部布置于豫东，作为徐州的后援力量，试图在徐州与日军一决雌雄。
蒋介石的上述想法，早在台儿庄会战之前就已表露。他亲临徐州督战时就对白崇禧等人说：“徐州是这次会战的核心。徐州位于黄淮之间，地界鲁、豫、皖、苏四省之交，为南北之通津，中原之屏障。在中国历史上，徐州之得失，有关国家之兴替。”
何应钦附和说：“委员长的指示极为重要，十分英明。徐州，历来是兵家必争之地，南守可略豫、鲁，北守可瞰淮河，不可轻易放弃。”
“我们一定要死守徐州!”林蔚也跟着随声附和。
刘斐认为徐州应该守，但最终必然守不住。考虑到自己仅是个作战组长，不便公开与蒋介石“较劲”，只好用眼睛盯着素有“小诸葛”之称的白崇禧，盼望他拿个好主意。白崇禧懂得刘斐眼光的意思，但也不好正面反对蒋介石的意见。他打了个迂迴：“这次敌军的第10师团和第5师团进袭鲁南，气焰十分凶狂呀!”
不等白崇禧说完，蒋介石就说：“凶狂怕什么?我们可以增调兵力。徐州必须死守，因为在徐州决战，可以争取时间，保卫武汉。徐州守得越久，我们争取的时间就越多，就可以把保卫武汉的准备工作做得好一点。”
“委员长的远见，令人佩服之至!”何应钦又发出了讚美之声。
白崇禧见蒋介石决心已下，不好再说什么了。
台儿庄胜利后，蒋介石等人盲目乐观情绪更为膨胀。
但身为第5战区最高长官的李宗仁，对形势的判断并不乐观，他深知，徐州四周为平原地带，无险可守，日军是机械化部队，又多有空军助战，在此处打起来，中国军队要吃大亏。他认为：“我方在徐州一带平原，聚集大军数十万人，正是敌方机械化部队和空军的最好对象”。李宗仁从持久消耗战的战略思想出发，认为在徐州同敌军作阵地相持的消耗战是愚蠢的。指出：“以中国军队的装备，只可相机利用地形条件，与敌人作运动战”。他为避免重蹈京沪战场的覆辙，提出撤离徐州的意见，而军事委员会中的少数人却陶醉于台儿庄的胜利中。李的意见被否定之后，即部署徐州会战。
第5战区在徐州附近地区进行了逐次激烈的抵抗，但未能挡住日军的攻势，徐州处于日军四面合围的险恶形势下。
5月中旬,前方越来越惨烈的战报不断传到武昌国民党军委会蒋介石的案前，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。蒋介石突然意识到：日军的意图是要围歼徐州中国军队主力。若徐州那50个精锐师被日军吃掉，我还抗什么战？
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