当然负责徐州会战的日军，是由华北方面军担任主力攻击，由於蒋介石同时在山西南部发动华军的牵制作战，使得日本华北方面军在山西的部队一再地告急，无法抽调更多的部队参战，因此由关东军抽调的部队，直接支援华北方面军的徐州会战。华北方面军立即整补第五与第十师团部队，在台儿庄北方附近的阵地，进行诱敌拘束的作战，以吸引华军的继续攻击。
然后日军以主力第十八师团，配合关东军的第三、十三两个混成旅团的精锐，沿津浦路的济宁南下，进攻徐州西部。并以第一军的第十四师团，由荷泽渡过黄河，准备在远方截断陇海铁路向西的交通，在一一四师团抵达战场之后，立刻接防第十师团，由第十师团参加第十八师团围堵华军西方撤退的通路。大本营认为徐州是华北方面军的战区，因此规划由华北方面军的部队攻占徐州。
李宗仁此时缺乏旺盛的企图心，不敢利用稍纵即逝的战机，运用优势的兵力，对日军残部，进行加强的猛烈打击而华中派遣军则负责由南向北进攻，第十三与第九师团强渡淮河，北攻徐州，主力是指向经由宿县，而扑向徐州西方的陇海铁路要站砀山，准备和华北方面军的主力在此会师，以达成切断华军西撤通路、在徐州附近围歼大量华军的战略目标，而华中派遣军为了争功，特别又增派第三师团以及两个支队北上，直逼徐州，此外，日军又出动陆战队在登陆连云港，日军对於徐州，进行了三面包围，并且急攻徐州的西部，日军的作战计划是非常的明显，就是要以南北夹击的作战方式，将作战的重点放在截断华军与西方连络的交通补给线，然后在徐州西方，成功的围歼蒋介石刚刚完成整补的华军。
蒋介石对於华军在徐州的作战，几乎是动员一切支援的力量，放手给李宗仁运作指挥。在华军不负众望的取得台儿庄作战胜利之时，蒋介石认为这正是掌握战机，扩大痛击日军的机会，因此将手边能够用上的部队，都调到徐州战场，在最高峰时达到三十四个军，八十九个师，总兵力超过五十五万人。蒋介石并且一再的去电，要求李宗仁，大胆用兵，彻底扫荡战场，并且攻击受困待援的日军，打击前来援救的日军先头部队。
但是此时李宗仁却一味的敷衍蒋介石，将五十万大军在徐州附近像排兵棋般的安顿起来，既无强烈攻击的企图，也无认真扫荡的动作，李宗仁此时缺乏旺盛的企图心[1]，不敢利用稍纵即逝的战机，运用优势的兵力，对日军残部，进行加强的猛烈打击，一直等到日本的大军源源到达徐州外围，对华军形成南北夹击的态势，李宗仁在五月十七日才一声令下，整个司令部与所有华军全部西撤。此时掩护撤退的是由张自忠与刘汝明部担负重任，刘汝明部在萧县一带伏击日军第九师团的北上，对日军造成重大伤亡。由於华军掩护得法，撤退的决断又十分的清楚，所以大军能够顺利的退出日军的包围。五月十九日，日军的华中派遣军的十三师团部队，首先攻入徐州空城，又令一心想争功的华北方面军大感挫折。
李宗仁是独断决定由徐州撤退之后，才告知蒋介石这个决定的，而蒋介石仍要求李宗仁，至少能够率军从徐州由东向西攻击日军，蒋则亲自到郑州指挥部队，由河南向东攻击日军。但是李宗仁根本不理会蒋介石的命令，只下令全速的撤军，日军虽然布下天罗地网，要想在徐州西方的附近，捕捉华军主力，但日军判断华军的撤退路线，只能经陇海铁路向西退却，因此南北进兵的日军主力会师计划，都是以截断陇海铁路，防止华军向西方撤退为首要目标。但是当时的华军多数是由西南方向，绕过日军的背后，以化整为零的方式，退出战场，日军虽然攻击到一些分散的队伍，但是却没有包围到华军的主力部队，日军的整个徐州会战攻击，可以说是扑了个空。
虽然日军没有在徐州附近完全合围华军的作战，但是日军却没有放弃这个企图，日军的第十四师团渡过黄河的目的，就是在陇海铁路的更西段，对逃出徐州包围圈的华军，进行再攻击。但是蒋介石在接应李宗仁部队西撤的作战中，也有准备，当时蒋介石特别把中国唯一的一支德式装甲机械化二○○师，以及二七军桂永清部，都调到开封以东，交给第一兵团指挥官薛岳掌控[2]。蒋介石原本希望李宗仁能够动用充裕的兵力，由东向西，攻击日军包围圈的侧后方，而由薛岳指挥大军由西往东攻击，两军能够成功的会师。
24.7 围攻土肥原师团
但是李宗仁不能配合，就仓皇的放弃徐州，五月二十日，薛岳东进的部队刚好碰上了渡河南下的土肥原贤二第十四师团，因此薛岳立刻就进行围歼土肥原的部队准备，土肥原作梦都没有想到，自己原来是要包围华军的，竟然会被华军所包围，但是由於补给线遭到切断，自己陷在华军的攻击圈中，因此整个战斗差点失控。
下令..军、七四军为东路军，七一军与二七军为西路军，预备采取东西夹击的打法。但要想吃掉土肥原的部队并不那么简单，因为日军第十四师团是日军一支机械化甲种师团，拥有装甲坦克以及机动的巨炮，是日本第一军驰骋华北的先锋军。不过薛岳决心要拿下土肥原的部队，在兰封与仪封之间，华军包围了孤军深入的土肥原部，两军一路的进行阵地争夺激战，土肥原的后方补给线被华军切断。
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