中国最高军事当局令第五战区集中兵力于徐州附近，准备再次聚歼日军。1937年由王耀武第51师合编而成第74军，74军不久参加淞沪会战。经过补充74军先后参加徐州、兰封会战 。日军改以部分兵力在正面牵制对方，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（今属枣庄）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（今邳州）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（属河南）后，向江苏萧县、砀山（今均属安徽）进攻；第3师由蚌埠进入大营集地区，向宿县（今宿州）进攻。在北面，第16师由山东济宁渡运河，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师从河南濮阳南渡黄河，陷山东菏泽、曹县后，直插河南兰封（今兰考）；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（属江苏）进攻。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。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。蒋介石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。 庞炳勋第3军团
庞部已伤亡殆尽，庞炳勋致蒋介石密电称“总计战斗兵，现不满千人”。结合徐祖贻致李宗仁电“庞军兵力损失过巨…已失战斗力”，即便考虑到庞有保存力量夸大伤亡的因素，按庞部战斗兵万人计，亦可约略看出庞部伤亡当在8000人以上。
张自忠第59军
刘景岳和于麟章在回忆文中称，该军在最初三天（3月14、15、16日）的激战中，大量毙伤日军，但自身“伤亡也不下六、七千之多”。顾相贞证实此说，至17日晨，该军统计伤亡人数，“第三十八师自投入临沂战役以来，伤亡近四千人，第一八0师也伤亡了二千余人”。《山东省志.军事志》采信此说，称“至17日，（第59军）伤亡7000余人”。郭汝瑰《中国抗日战争正面战场作战记》一书亦采信此说，称“至17日上午，第59军已伤亡6000余人”。迨至21日临沂战役第一阶段结束，于麟章称“伤毙敌军约六千人…我军伤亡人数也在八千人”，顾相贞称第59军“伤亡官兵近九千人”。第59军战斗详报则证实了此数据，24日，再次增援临沂的第59军在城西北一带集结时，全军可战之兵仅有1.3万人，而该军一战临沂前却有战斗兵员2.1万人，减员8000。
通过下属单位的伤亡也大略看出第59军伤亡之惨重。原第38师第113旅旅长李致远在回忆文中称，仅在15-18日的刘家湖战斗中，“第二二八团原有两千余人，损失半数以上；第二二四团也伤亡近半数。59军成建制战死者计有第26旅第678团（团长崔振伦，在进攻朱陈镇战斗中，该团另有一营人牺牲过半）第2营，第113旅第226团第6、10连，114旅227团第12连。时任第59军军部参谋处作战科少校参谋的王丕廉在回忆文中称：“经过三昼夜的激烈战斗，我方仅连长就伤亡一百余员，士兵伤亡五分之二”。
考虑到第59军伤亡过重，徐祖诒即建议该军撤出战斗，转往郯城修整，被张自忠拒绝。
第2次临沂战役后，于麟章称第38师“减员万余人” ，张自忠遂决定将该师合并编成一个旅，约千人，归军直接指挥。据180师39旅参谋长杨遇春回忆文称，该旅“只剩下200多人，其余3000余人皆伤亡。”杨作为旅参谋长，提供的本旅战斗伤亡人数数据应该是可信的。
关于第59军两次临沂战役的伤亡，张自忠本人在致李宗仁电也曾透露，“伤亡达万余人”。这个数据弹性很大，不少著述干脆直接引为1万人。不过，通过相关资料来推算，第59军的伤亡要远超过1万人。
3月25、26日张部第38师在解救庞炳勋部的三官庙、桃园之战中，伤亡2000余人；又张自忠29日4时致电李宗仁称，27、28两日以来伤亡两千余人。二者合计就是四五千人。另据刘景岳、于麟章回忆文章称：“先后两次临沂作战，我（59军）伤亡各级官佐八百余员，士兵万人以上。”如果参照张自忠19日14时致李宗仁电中所列官、兵伤亡比例：伤亡军官209人、士兵3273人，则第二次临沂战役结束时张部军官伤亡800余，士兵伤亡应在13000人左右。
这样，第59军在两次临沂战役中伤亡数约在1.3万-1.4万之间，加上在淮河阻击战中伤亡的2000人，整个台儿庄战役，第59军伤亡约在1.5万人以上。
孙震第22集团军
张宣武在回忆文中称：“第四十一军守城部队自第一二二师师长王铭章以下伤亡5000余人，在滕县以北界河、龙山一带作战的第四十五军，自一二七师师长陈离以下伤亡亦达四五千人。这次战役，共毙敌2000余人。”41军124师741团第2营营长熊顺义也称，从3月9日至18日，川军保卫滕县“牺牲、负伤万余人”，其中第45军“从一二七师师长陈离、一二五师七五0团团长姚超伦（原文误，应为745团。750团团长为陈士俊-笔者注）以下伤亡的营、连、排长等官兵四五千人。”
能证实上述数据的还有李宗仁致蒋介石密电，称第22集团军在滕县之役中“伤亡官兵不下万人”。
而第22集团军代总司令孙震在滕县战役战斗详报中却称“是役…我阵亡官兵3000余人，负伤官兵4000余人；四十一军占伤亡总数四分之三。”时任该部少将参谋处长胡临聪在回忆文中也称，滕县战役守卫滕县城与外围的第22集团军共伤亡8000余人（阵亡五千余人，负伤三千余人）。
但通读孙震战斗详报全文，战役起止日期为3月9-17日，且主要是叙述14-17日的滕县城战斗。胡临聪文章类似。孙、胡的数据显然未含3月9日之前第2集团军伤亡，而该集团军第45军早在1938年1月即已入驻滕县并与日军发生过数次战斗，如在2月中旬的郭山、两下店战斗中，第125师第750、745两团即伤亡约千人。
因此，第22集团军在整个徐州会战前期总伤亡在万人左右，还是较接近实际的。
汤恩伯、封裔忠第二十军团
在3月16、17、18日最初三天的作战中，仅第85军2个师即“阵亡营长三员，伤二员，伤团长一员，伤亡连排长廿余员，士兵二千余人。”同期在沙沟阻击日军的关麟征部第2师第6旅伤亡不详，但李宗仁在19日致蒋介石密电中曾说：“我（第6旅）第十一团伤亡甚大”。
台儿庄东北方战斗中，第85军与第52军夹击坂本支队，予敌重创，“五十二军与八十五军各伤亡1300余人”；第20军团突破坂本支队所据之小王庄、刘庄等阵地，并与敌发生肉搏战，“第85军第4师两日来伤亡约千人”。
汤恩伯在致电李宗仁称：“（台儿庄）当面之敌经我关（麟征）、王（仲廉）、周（碞）各军彻夜猛攻，肉搏十余次，毙敌三千余人，俘获正在清查。我军伤亡亦大。”汤的电报内容虽未指出所部具体伤亡数字，但从当时中日两军战斗力及“我军伤亡亦大”一语来推测，汤部伤亡即便比敌方少，也应该不会差距很大。
汤部部分将领的回忆文章中有所部整个徐州会战期间的伤亡数据，而未提阶段战斗伤亡。作战部参谋长封裔忠率领第110师在徐州会战后到达河南唐河整编时，只剩下一个旅的兵力，“在这次会战（指整个徐州会战）中伤亡了五千余人。”自3月中旬开赴鲁南以来，经过一个多月连续不断的作战，第52军两个师都有很大伤亡，特别是郑洞国第2师，“有作战能力的官兵，已不足原来人数的一半。”其中，第2师在台儿庄战役期间的峄县北大窑附近战斗最为激烈，敌我双方一度展开白刃战，第2师多处阵地曾数度得而复失、失而复得，是役敌我都有很大伤亡。师长郑洞国甚至在3月30日上午攻打峄县城东一带时，被敌炮弹击中，只因弹片为其衣袋内银元所挡，郑才幸免伤亡。
以上相加，汤恩伯第20军团及临时辖属各部总伤亡在万人左右，应该不会夸大。
孙连仲第2集团军
李宗仁即致电军令部封少君参谋长：令“廿七师现仅余战斗员约二千名，卅一师一千四百余名”，另，台儿庄守军6日伤亡亦“在二百名以上”。至日军从台儿庄退却时，第30师师长张金照称所部“全部兵力只剩下四千多人”。也就是说，台儿庄战役结束后，第2集团军所辖第27、30、31三个师所余战斗员仅七八千名左右，加上独立第44旅，最多也就在万人左右。该集团军损失应在1.4万人以上。
其他部队伤亡
池淮阻击战中，刘士毅第31军、于学忠第51军合计伤亡近6000人，孙桐萱第3集团军之谷良民第56军（1938年3月缩编为第22师，隶属孙桐萱第12军）参与的济宁战役，“自进攻到退却，历时约半个月，我军伤亡约2000余人，但亦予敌以重创。”
综合以上，在徐州会战期间，中国军队伤亡合计6.5万余人。 池淮阻击战
自1938年1月24日起至30日，在历时7昼夜的池河之战中，第31军歼敌近2000名，其中在池河真歼敌三四百人；在三河集、马家岗两处歼敌二三百人；在明光方面歼敌约千余人。
第31军自池河撤退后，于2月上旬配合第48军对刘府、考城、蚌埠之敌攻击，“经剧烈战斗之后，毙敌千余”。
淮河阻击战，于学忠率领的51军与企图渡河日军第13师团殊死鏖战，歼敌数千（一说3000，一说9000）。
日军伤亡约6000——1万人。
滕县战役
孙震在战斗详报中称“是役毙伤敌军官佐320余员，击毙士兵1500余名，击伤士兵5700余名。”]以川军武器装备而言要取得如此战果，是不可能的，且当时进攻滕县之敌亦不过数千人，若孙震的数据属实，无疑是全歼日军。孙的歼敌数据显系夸张。
第122师代师长王志远在战斗详报中称所部“击毙敌共约千余名”，第124师370旅旅长吕康称所部“毙敌约七八百人”，372旅旅长曾甦元称所部“毙敌寇约六七百人”，三者相加，与张宣武所说的“这次战役，共毙敌2000余人”相近，但应为击伤而非击毙日军数据。
加上3月9日之前第45军歼敌数，则日军在整个滕县战役中伤亡不下2500人。
两次临沂战役
第一次，张自忠致电李宗仁称，临沂战场“敌（日军）伤亡达四千余名”。而一些著述如韩信夫《鏖兵台儿庄》则认可“此次临沂作战，歼敌3000余人”。
第二次，中国军队共歼敌2000余人，俘虏1人。
临沂战役，日军伤亡应在5500人以上，加上之前庞炳勋部与沈鸿烈海军陆战队歼敌数，日军伤亡应不下6000人。
台儿庄战斗
中共《新华日报》1938年4月7日、8日报道歼敌万余人；日方数据为伤亡11984人。史界如孔蕴浩先生则认同《新华日报》数据，认为台儿庄一战中方“取得歼敌万余人的战果”，而整个鲁南地区，“日军死亡的人数超过16000人”。
其他局部战斗
包括第20军团在临城、官桥、枣峄等地，第3集团军在汶上、济宁、兖州等地战斗，日军损失2000人左右。
综合以上所列，日军在徐州会战中伤亡在2.6万人以上。
