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的消耗战是愚蠢的。并指出：“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。”
但由于蒋委员长和军委会的部分高官陶醉于台儿庄的胜利中，李长官和华毕成提出撤离徐州的正确意见被否决。在蒋委员长的指挥下，五战区开始部署新的徐州会战。
吃一堑长一智的日军改变了他们的打法，以部分兵力在正面牵制五战区的中国军队，主力向西迂回，企图从侧后包围徐州，歼灭第五战区主力。
4月28日，日军第五师团分别从山东峄城(今属枣庄)和临沂西北的义堂地区南进，对中国守军第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，将日军阻击在韩庄、邳县(今邳州)和郯城一线。
5月15日，日军开始从南北两个方面向徐州西侧迂回包围。在南面，日军第九、第十三师团从蚌埠地区分别沿北淝河、涡河西岸北进，至23日，陷蒙城、永城后，向萧县、砀山进攻；第三师团由蚌埠进入大营集地区，向宿县进攻。
在北面，日军第十六师团由山东济宁渡运河，至24日，连陷郓城、单县、金乡、鱼台后，向江苏丰县、砀山推进；土肥原率领的第十四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。
第五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。
倒是第二战区利用华北日军兵力空虚的机会取得了一些战果，在第二战区的积极反攻下，失去友军支持的日军第二十师团被迫放弃了蒲州、芮城、平陆等地，在运城、河津、闻喜几处只留下了少量的部队，将主力退缩至曲沃、侯马、新绛地区固守。
由于第二战区部队破坏了铁路并炮击了日军的机场，第二十师团的补给完全中断。当时日军无任何兵力可供调动增援，不得不以空投进行补给，但飞机不足，无法满足一个师团的需要，最后逼得日军第二十师团不得不以抢掠民间粮食以及野菜、树叶、青草充饥。
由于华北日军主力南下攻击徐州，华北被日军占领的所有地区都呈现不稳，八路军在敌后十分活跃。由于兵力不足，华北日军只能被动地进行防御，完全没有大规模出击的能力，也就更谈不上攻击中国军队了。
前方越来越惨烈的战报不断传到武汉军委会蒋委员长的案前，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。蒋委员长突然意识到：日军的意图是要围歼徐州中国军队主力。若是徐州这几十万精锐被日军吃掉，他蒋委员长还能拿什么来抗战？
醒悟过来的蒋委员长立即叫来何部长、小诸葛、陈辞修等人一块研究策划。日军的企图已经暴露，再死守徐州已不现实，陈辞修等人亦主张赶紧突围，决定放弃徐州。
由于日军已形成对徐州的四面合围态势，5月25日，中国最高军事会议决定放弃徐州。