第五师团和第10师团的惨败使日本陆军统帅部笼罩在一片沮丧的情绪当中：威名赫赫的皇军从七七事变开始就迭遭重创，先是在上海和南京被十九路军吃掉了两个师团，现在又被中央军击溃两个师团，非但远远没有达到战前在天皇面前许下的三个月解决中国问题，反而让至高无上的天皇陛下在世人面前蒙受莫大的耻辱！
恼羞成怒的日本天皇和统帅部一怒之下决定再次迅速向中国大规模增加兵力，发动更大的进攻，誓报台儿庄一箭之仇，以洗雪奇耻大辱。恰在此时，日本华中方面军侦察发现，集结在徐州地区的中国军队没有撤退，根据可靠情报，该集团约有五十个师，六十余万人，而且全部是中央军的精锐部队！
日本陆军统帅部接到消息之后喜出望外，立即向天皇报告，建议发动徐州会战。天皇见报也是欣喜若狂，认为这是挽回颜面，刹住中国政府正在进行的台儿庄胜利大宣传的好机会，随即批准了陆军统帅部的作战计划，并重点强调：陆军此次进攻，务必全歼徐州地区五十个师的中国军队。
日本陆相杉山为了达到速战速决的目的，于4月7日向华北方面军总司令寺内大将和华中方面军总司令多田俊六大将下达大本营陆军部第84号命令：第一、大本营意图击破徐州附近之中国军队。第二，华北方面军司令部应以有力之一部占据兰封县城以东陇海线以北之地区。第三、华中方面军司令部应以有力之一部占据华北方面军司令部之徐州以南津浦路附近之地区。
杉山陆相为了确保徐州会战的胜利，在会战打响后专门派遣了以陆军作战部长桥本群少将等高级参谋人员组成的‘大本营派遣班’前往徐州前线，就地指导会战。
4月中旬，日军华中方面军和华北方面军，集结精锐部队十三个师团，约三十万人，配备大量的重物器，在数百架战机的支援下，采取南北对进，侧翼迂回的战术，兵分六路，再次向徐州扑来，企图以迅雷不及掩耳之势把中国军队的主力包围在徐州附近。
此时，身为国民政府大本营最高统帅的蒋介石正沉浸在台儿庄大捷的兴奋里，对日军的进攻意图一无所知，命令徐州地区的部队发扬‘台儿庄血战’的光荣精神，坚决阻击来犯之敌，最好能再来几个这样的大捷。虽然，他已经接到第十九集团军司令孙百里发来的提醒电文，却认为是杞人忧天之举而没有理会。
4月下旬，华北日军一路，向徐州东北面进攻，与孙连仲兵团在峰县、向城等地激战，而另外一路日军则向临沂、大埠等处进攻，与张自忠部血战。
5月上旬，南路日军相继攻占徐州南面的蒙城、宿县等地，然后攻陷徐州西面的黄口车站，切断了徐州西南面的退路。
5月中旬，华北又一路日军，强渡黄河进入鲁西地区，迅速攻占了郸城、荷泽、金乡和鱼台等地，与南路日军相呼应，自西北方向朝徐州逼近。
至此，日军完成了对徐州的包围，数十万中国军队面临着灭顶之灾！
徐州战场越来越惨烈的战报不断传到国民政府大本营，使蒋介石开始清醒下来，仔细研究战场的态势，推测日军的意图，当他看到地图上代表着日军进攻的黑色箭头已经圈住徐州的时候，大吃一惊，立刻明白了日军的意图，随即电令李宗仁指挥第五战区部队突围。
李宗仁接到命令之后，立即组织部队突围，为了避免淞沪会战撤退时所造成的混乱局面，他做了细致周密的安排，把数十万大军分成五路，分别突围。
5月下旬，五路大军按照指定的路线，全部安全撤退到安徽西部和河南南部的平原地带，而担任掩护任务的刘汝明第68军，在完成任务后，放弃徐州，也巧妙地跳出了日军的包围圈。
5月底，等日军扑进徐州城的时候，这才发觉这里已经是一座空城，连中国军队的人影都没有看见。日军发动的徐州报复作战，历时一个多月，付出了伤亡三万多人的代价，占领了一座空城，完全没有达到最初的战略目的。
消息传到福州，孙百里终于长长地舒了口气，同时也对第五战区司令长官李宗仁卓越的指挥能力感到钦佩不已。
孙百里推测，虽然日军在徐州扑了空，但是其庞大的兵力已经展开，绝对不会就此罢手，肯定会顺势沿着陇海路向郑州方向推进，取道河南攻击武汉，尽管还没有接到大本营的命令，但是为了稳妥起见，他还是命令已经集结在闽浙边境的时刻做好开拔的准备，同时命令新二师抓紧时间补充人员和装备，争取随时可以投入战斗。
让孙百里没想到的是，他的这一决定在无意中挫伤了川军的自尊心。暂编第一师师长林翼如和暂编第27师师长张宣武在新四师师长向文彬的陪同下来到司令部，主动要求加入第一批开拔的部队。
张宣武涨红着脸说道：“军长，我们川军自从到淞沪战场以来就一直被友军讥笑：说我们装备不好、战斗力差，十个师才能抵得上日军一个师团！那时候士兵用的大部分是老套筒，连‘汉阳造’都没有多少，更不用说中正式了，机枪和大炮比其他部队更是差一大截子，所以只能夹着尾巴做人。现在司令部按照主力师的编制装备了这么先进的武器，正是为川军争回面子的时候，可是军长您却不让我们上阵，是不是也信不过我们！？”
林翼如虽然没有说话，但是从脸色看也是非常的激愤，向文彬怕孙百里面子上下不来，急忙打个圆场：“军长，他们的部队刚刚加入集团军，可是寸功未立，而我们十九路军的名声又这么响，怕被别人嘲笑是滥竽充数，所以想证明自己的战斗力，希望司令部能同意。”
孙百里丝毫没有在意两个暂编师长的态度，反而笑眯眯地问道：“你们是不是认为我厚此薄彼，没有把川军和集团军原有的部队一视同仁？”
张宣武心直口快，没等向文彬插话就气呼呼地回答道：“难道不是吗？”急得向文彬在旁边干瞪眼。
孙百里笑着朝向文彬摆了摆手，示意他不必着急，然后对张宣武说道：“张师长，你的部队虽然和集团军原来的几个主力师的装备是一样的，但是并不等于有同等的战斗力啊！”
张宣武依然不服气地说道：“军长，你说我们两个师比不过第60、61师，这我们承认，他们毕竟是参加过淞沪会战和南京保卫战的英雄部队，可是怎么可能连从来没有和鬼子教过手的新二师都不如，我们毕竟和小鬼子真刀真枪地干过呀！”
孙百里看向文彬脸上的表情似乎也认同张宣武的说法，就仔细地解释道：“部队的战斗力不外乎和装备、训练、经验、士气等因素有关，你们这两个师虽然在装备上和其他部队相同了，但是其他方面的差距是很大的。首先是对装备的掌握程度：新二师换装已经快一年了，而你们却是刚刚完成。其次是部队的训练：军医检查后发现，你们部队当中有三分之一的人身体达不到规定的标准，而在单兵科目的测试当中和其他部队的差距更大，举个简单的例子，新二师有15%的士兵射击是优，30%是良，而暂编师的这两项指标分别是2%和7%。再次是实战经验：新二师的骨干都是参加过1.28事变的老兵，经验并不比你们差。最后是部队的士气：这一点是最至关重要，但是又是最难培养起来的。同样一支军队，如果士气不同的话，表现出来的战斗力会有天渊之别。新二师虽然还没有上过战场，但是有一股锐气，而暂编师却连续两次被日军击溃，怎么能够同日而语呢？”
看到三个川军将领露出深思的神情，孙百里语重心长地劝说道：“百里能够体会你们的拳拳报国之心，也很想能够和诸位一起在战场上痛击日寇，但是兵凶战危，不得不慎重！如果把没有经过良好训练的士兵派上战场，与谋杀何异？”
三个师长互相看了看，心悦诚服地点了点头，张宣武问道：“军长，那我们回去就督促部下刻苦训练，努力提高战术水平。可是您也要时刻想着我们啊，不要总是没有上阵杀敌的机会！”
孙百里笑着说道：“你们加入十九路军也有些日子了，对集团军的规矩也应该有所了解：只有在福州的训练基地测试达标的部队才有机会被首选！如果你们真的想早日参战的话，就老老实实按照《步兵操典》的要求刻苦训练，仗有你们打的！”
听了孙百里的解释，几个人终于消除了心中的误会，不好意思地看着孙百里。
张宣武尴尬地说道：“军长，我们误会了你，真是对不起！以后再也不会以小人之心度君子之腹了！”
林翼如说道：“军长不让我们上阵，其实是对川军的爱护，我们太不应该了！”
孙百里笑着说道：“你们也是爱国心切吗，再说，我没有解释清楚也是有责任的，你们就不要再胡思乱想了！”
经过这次事件，川军终于真正地融入了十九路军这个大家庭当中！