由国内增加8师团，及早解决华北战局之计划打消……我如能把握台儿庄胜利之果而早日解决峰具之敌，则可扩大敌之反战运动，怂动国际之观听。确定胜利之基础，在此一举”。因而请求蒋介石“集中所有力量争此一著”。军委会同意，开始向第五战区增兵。至5月间，第五战区的部队已达到64个师及3个旅，约45万人。

    日本大本营“看到台儿庄方面有大量中国军队，特别是汤恩伯军团的出现，认为给蒋介石的主力一次大的打击，是挫伤敌人抗战意志的大好机会，因此决定进行徐州作战”，以大约6个师团的兵力（第10、第5、第16、第114师团，独立混成第5旅团，混成第3、第13旅团及临时航空兵团），由徐州以北，以大约3个半帅团的兵力（第9、第3、第13师团，第101、第6师团各1部及第3飞行团）由徐州以南，分路向徐州合击。因进攻台儿庄的第2军部队被中国军队击败而退逃，认为“有损于陆军的传统”，4月30日下令，免去西尾寿一第2军司令官的职务，任命东久迩宫为第2军司令官（徐州会战一结束，第10师团长矶谷廉介亦被免职并编入预备役）。5月上旬，东久迩宫到任，日军开始对徐州发动全面进攻。蒋介石发现日军对徐州采取包围行动，企图乘日军兵力分散且离开据点的大好机会，令第五战区采取攻势、各个击破敌人，先集中兵力消灭淮北的日军。但部队尚未调整、集结完毕，形势发生极大变化，日军进展迅速，向徐州作向心攻击的7路日军，至5月15日已基本接近完成对徐州的包围，即将切断陇海路。李宗仁为避免在不利形势下进行决战，决定放弃徐州，作战略转移。5月17日.第五战区司令长官部撤离徐州，由宿县向西转移，其他各部队均按第五战区的命令分头突围。5月19日，日军占领徐州。徐州会战结束。

    七七事变以来，日军虽然在忻口、淞沪会战中遭到中国军队的坚强抗击，但从未实施过战役范围的退却行动，更未承认过战斗失败，一直以“战无不胜”的“皇军”自居。台儿庄的作战，却使其第10、第5两个精锐师团的部队，在中国军队包围下仓皇退逃，连大批重型武器、弹药等都不得不遗弃战场。尽管日本大本营仅说是“有损于陆军的传统”。但却无法掩盖战败的事实。亲身经历台儿庄作战的日本士兵感受比较真实。如日军第10师团第63联队第2大队的涩谷，在日记中写道；“我方死伤益见惨重，全员不分昼夜严加防守，各中队人数仅剩六、七十人”，“大队部无法支持……牺牲数百人生命占领的场所被敌方夺去，我队含着眼泪随大队部后撤，退却时向战死者暂时告别”。

    作为第三方的美国人则毫不客气他说，台儿庄战斗“是日本建立现代化军队以来遭受的第一场引人注目的大惨败”。当然，台儿庄的胜利，仅仅是一次局部性的胜利，战役本身对中日战争全局不起决定性作用，但它沉重地打击了日军的侵略气焰，以实际战例证明日军并非不可战胜，从而鼓舞了国民政府及全国人民的抗战意志，增强了抗战必胜的信心，消除了一些人的恐日心理，另外，台儿庄的胜利，使日军重新估计中国的抗战力量，同时也改变了国际上对中日战争的看法。当时，英、美、法、苏等许多国家的报纸，都以大字标题刊登了中国台儿庄胜利的消息，并纷纷发表评论。1938年4月9日伦敦路透社电讯说：“英军事当局，对于中国津浦线之战局极为注意。最初中国军获胜的消息传出，各方面尚不十分相信、但现已证明日军溃败之讯确为事实”，“英人心理渐渐转变，都认为最后胜利当属于中国”。德国柏林哥隆新闻也说：“徐州方面中国抵抗力之强，殊出人意外”，“最慎重的观察者亦不能不承认日本必遭失败”。这些社会舆论虽然并不等于其政府观点，但它对提高中国在国际上的地位和争取外国政府的支援，有一定的积极导向