在国军一方，第二集团军、第二十二集团军、第五十一军、第六十军、第九十二军等在韩庄以南运河沿线以及邳县以北艾山、连防山、燕子河一线成功阻止敌人的进攻，但是这些国军精锐却与敌人以阵地战互相胶着，国军几乎所有的机动打击力量都在被动防守，徐州战场失去了战场的主动权。
而在日军方面，日军第六师团攻陷合肥，解除了华中派遣军的主力北上的侧背之忧；第九、第十三至团攻陷蒙城、永城重镇后，一部向陇海路上的黄口突袭，另一部进至徐州西南四十华里的萧县地区；苏北日军第一零一师团攻陷高邮、宝应，并积极向邳县西进，以包抄徐州；津浦路北段的第十六师团攻陷鱼台、金乡、丰县；第十四师团由濮县附近渡过黄河，连克郓城、郢城、菏泽、曹县，威逼兰封地区，此举切断了中国军队第一、第五战区的联络；运河以北正面日军绕过台儿庄，渡过微山湖占领了沛县，其先锋部队距徐州仅十余华里。
徐州已陷入日军四面包围的局面，为保存抗战的力量，最高统帅部下达了撤退的命令。
五月十日，五十二军阵地交由第二军防守，五月十三日，五十二军奉命回到归德整补，二十五师从此退出徐州战场。
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