日军在进攻台儿庄受挫后，原攻临沂败退费县附近的板垣师团，获知其友军矶谷师团残部被困于峄县、枣庄、临城一带，也舍去临沂战场而将主力向西移动，与矶谷残部会合，死守待援。同时敌方统帅部也深知徐州不可轻取，非调集重兵自四面合围，断难打通津浦线。4月间，敌方遂自平、津、晋、绥、苏、皖一带增调十三个师团，共三十余万人，分六路向徐州进行大包围，企图歼灭我五战区的野战军。
敌军这次所抽调的，均为其中国派遣军中最精锐的部队，配备有各种重武器。全军按计划构成数个包围圈，逐渐向徐州轴心缩小包围圈，以期将我徐州野战军一网打尽。
在敌方这种有计划的大规模歼灭战的部署之下，雄师数十万，复辅以飞机数百架，装备窳劣的我军断难与之抗衡。无奈台儿庄之捷鼓起了我方统帅部的勇气，居然也调到大批援军，想在徐州附近和敌人一决雌雄。
我方首先抵达徐州的援军为周碞的七十五军和李仙洲的九十二军。我命令周、李两军自台儿庄向东延伸。因此时矶谷残部尚死守峄县待援，敌板垣师团已舍弃临沂战场而向西挺进，与矶谷会合，企图对台儿庄卷土重来。我周、李两军向东延伸，正拊其背。
4月20日，樊崧甫的四十六军和卢汉的六○军也奉调到徐。我乃调该两军到运河两岸，加强这方面的防御兵力。不久，李延年的第二军和晋军商震部的一师也到徐，乃加入东线。谭道源的二十二军也尾随而至，加入徐州西北微山湖一带的防线。接着石友三的六十九军抵达鲁西，冯治安的七十七军、刘汝明的六十八军也先后到徐，我即令开拔南下，增强淮河北岸的防御力量。
因此，不到一个月，我援军抵徐的，几达二十万人，与本战区原有军队合计不下六十万，大半麇集于徐州附近地区，真有人满之患。而白崇禧从汉口军令部打电话来，还高兴地对我说，委员长还在续调大军向我增援。
我说：“委员长调了这么多部队干什么呢？”
白说：“委员长想要你扩大台儿庄的战果！”
我说：“现在已经太迟了！”
此时我已判断到敌军向我合围的新战略，我方集大军数十余万人于徐州一带平原地区之内，正是敌方机械化部队和空军的最好对象。以我军的装备，只可相机利用地形的有利条件，与敌人作运动战，若不自量力而与敌人作大规模的阵地消耗战，必蹈宁沪战场的覆辙。当徐州保卫战时，我军元气已有限，类似上海的会战，断不可重演。因此当大军云集之时，我深感责任的重大和内线作战无能为力之苦。
统帅部也深知此役关系重大，不久，白副总参谋长即率统帅部参谋团的刘斐、林蔚等到徐州筹划防御战。
敌军自攻占宿县与蒙城两个重要战略据点后，除以少数部队固守宿县外，竟放弃津浦路正面，而循西侧的地区，与蒙城之敌相联系，分途向北推进。
4月中旬，津浦路北段之敌在土肥原等指挥之下，开始自濮阳、寿张分两路强渡黄河，进入鲁西，分别陷我郓城、菏泽、金乡、鱼台，自西北方面向徐州推进；东北方面之敌，则由海道自连云港登陆，占海州、郯城，与进占台儿庄和峄县之敌相呼应，自东北方向徐州进迫。
5月上旬，津浦路南面敌人为排除其侧翼常被我军突击的危险，乃以其主力配合大量装甲部队和飞机，向西部闪电挺进，攻占合肥，压迫李品仙十一军团的三十一军西撤，退守大别山外围的六安县，然后转向我据守淮河中流一带的廖磊二十一军团军第七、第四十八两军防线猛烈攻击。我防守淮河两岸和田家镇、凤台县、寿县、正阳关等重要据点的部队，为避免被敌包围集体歼灭计，乃稍事抵抗即自动放弃，实行化整为零的游击战术，与敌人纠缠，使其疲于奔命。不幸敌人不入我军的圈套，而以其第三、第九、第十三等师团和井关机械化部队，配属大群飞机，作战斗开路先锋，然后循涡河地区向蒙城迈进。同时，蚌埠南岸附近的敌军也已抢渡淮河，向北急进。至此，于学忠之五十一军和冯治安的七十七军忽遭受敌军优势力量的压迫，乃星夜东向皖苏边境撤退。刘汝明的六十八军原奉命南下增援，师行到夹沟，而战局面貌已非，我遂令该军迅速西向涡阳，突出重围。是时，廖磊总司令见徐州以南津浦路防线已完全洞开，乃调二十一集团军总预备队，师长杨俊昌与周副师长各率步兵两团，驰赴扼守南宿县和蒙城两个据点。不料周副师长赶到作仓促布防之际，敌人也已跟踪而至，将蒙城团团围困得水泄不通。敌机械化部队和机群整日冲击、轰炸。城中房屋火光烛天，变成一片焦土，5月9日蒙城遂陷。后来据少数突围士兵的报告，当敌军猛烈进攻时，周副师长曾数度奋勇反攻，期望冲破重围，无奈敌人火网严密，未能成功。除二十一名士兵乘黑夜蛇行逃出，幸免于难外，其余官兵、夫役、马匹等，则一概为国牺牲。至杨俊昌师长，率所部扼守南宿县，因城垣被敌炮摧毁，被迫撤至郊外，损失虽重，尚未全部牺牲。
北上之敌随即切断我陇海路于徐州以西的黄口车站。蚌埠之敌约三个师团，于攻破宿县后也自津浦路的西侧平原向徐州迫近，形成对徐州四面合围之势。
我军为避免与优势之敌作消耗战，也于5月初旬作有计划的撤退。敌军此次来势甚猛，构成数重包围圈，志在将我军一举歼灭。我军为打破敌方此一企图，只有迅速作有计划的突围，脱离敌人的包围。然大军数十万仓促撤退，谈何容易！
二5月初旬，当鲁西与淮河战事同时吃紧之时，我即严令该方面的孙桐萱与廖磊两集团军，自南北两方尽最大的努力阻止敌人会师于陇海线；并乘敌人尚未合围之时，督率徐州东北方面的孙连仲、孙震、张自忠、庞炳勋、缪澂流诸军，凭运河天险及运河以东地区择要固守，以掩护徐州四郊大军向西南两方面撤退，脱离敌军的包围圈。一待任务完成，即向南撤入苏北湖沼地区，然后再相机西撤。因敌军的注意力概集中于徐州陇海路西部，因此，我军能安全向苏北撤退。
5月中旬，我军其他各部乃陆续开始撤退。为避免敌机轰炸，多数部队都昼息夜行。敌军旋即南北会师，唯阵容不无混乱，且因地形不熟，不敢夜间外出堵截，故我军未脱离包围圈的部队也能自敌人的间隙中安全通过。5月17日晚，汤恩伯军团及其机械化部队因西线敌人已重重合围，乃改向南撤。其他掩护部队也奉命逐渐向东南撤退。敌军遂自北面迫近徐州，其野炮且已可射入城内，长官部数次中弹起火，幸皆迅速扑灭。我乃迁长官部到郊外城南陈家大屋暂住，然该地仍在敌炮射程之内。一次，我命一传令兵向附近传达命令，渠刚离开，忽然一颗炮弹落在司令部内爆炸，此传令兵即应声倒地，我连忙前去将他扶起，只见其血肉模糊，臀部已被炸去一大块。当时情况的险恶，可以想见。
到5月18日，各路大军泰半已撤退就绪，我乃决定于18日午夜放弃徐州。是晚11时，我率长官部职员、特务营、中央留徐各机关人员和若干新闻记者，共约千余人，合乘火车一列南开。本拟于车抵宿县后，折向西方撤退。孰料车行方一百华里左右，忽闻前路有猛烈爆炸声，停车一问，才知系我方工兵炸毁铁路桥梁。因工兵误以为长官部列车已过，所以将桥梁炸毁。火车既不能前进，全军千余人只得舍车步行。翌晨抵宿县城北十余里处，汤恩伯军团适亦停止在此。据难民报告，宿县已为敌军所得，不能通行。
汤军团长乃和我作简短会议。他问我要否将宿县克复，再继续西进。因汤军团此时尚有数师之众，并有十五生的大炮数门随行，克复宿县，可无问题。不过我认为无此必要，我军今日当务之急，是脱离敌人的包围圈。一小城镇的得失实无关宏旨。
汤恩伯并问我要否和他的部队一起向西突围，因为他的军团实力雄厚，不虞敌人包围，我则认为汤军团是我军的精华，此时脱离战场要紧，我长官部和他同行，恐为该军团之累。所以我命令汤军团长即刻率部西行，我本人则偕长官部一行东向绕过宿县。此地是一望无际的大平原，我们这一千余人的小部队，在本国的土地上，可以四处行动，敌人断难捕捉我们。同时，我更电令第七军自皖派部队到宿县以南三十里附近接应。
自与汤军团在宿县以北分手之后，我即亲率长官部一行千余人向东南前进。沿途皆有敌机跟踪轰炸，然在大平原之上，部队分散前进，敌机杀伤力甚小。越过津浦路以西地区后，某次吾人正在一大村落造饭休息，忽为敌侦察机发现。该机兜了个圈子，即行离去。我知其情不妙，匆匆饭毕，即令全体人马离开该村。我们走了不及二三里地，突有敌轰炸机二十余架比翼飞来。一阵狂炸，将该村落顿时夷为平地，而我辈竟无一人死伤，亦云幸矣。又一次，我们在途中被数架敌轰炸机发现，我们遂作紧急疏散，匍匐于附近麦田中，敌机群在我们上空低飞一转，并未投弹便匆匆飞去了。此时敌机如集中狂炸一阵，则吾辈千余人将无噍类了。又一次在宿县东南，几与敌骑数百人相遇，敌我相去极近，而却“交臂相失”，否则其情况也就不堪设想了。
我们自东边绕过南宿州，足足走了一整天，抵达涡河北岸，与第七军来接的部队共一团人相遇。涡河桥梁、渡船皆毁，人、物渡河已感困难，随行汽车数十辆自然更无法携带，乃悉数在河边焚毁。渡过涡河，进入第二十一集团军防地，才完全脱离了敌人的包围。
三此次徐州会战，我方参战的不下六十万人，敌军总数也在四十万左右，敌方参谋部显欲将我野战军主力吸引到徐州附近，自四面重重包围，渐次将包围圈缩小，然后一举将我数十万大军悉数歼灭。
敌人再也没有想到，他以狮子搏兔之力于5月19日窜入徐州时，我军连影子也不见了。数十万大军在人不知鬼不觉之中，全部溜出了他们的包围圈。敌人四处搜寻，仅捉到了我方几个落伍的病兵。其中之一是二十二军军长谭道源的勤务兵。敌人自他衣袋中搜出了一张谭军长的名片，便误以为生俘了谭道源，竟据此大事宣传，闹出个大笑话。
在徐州会战的最后阶段，敌军捕捉我主力的计划是何等周密，其来势是何等凶猛，但是鏖战月余，敌方不特没有击溃我军的主力，甚至连我方一个上尉也没有捉到。这种情形，在双方百万大军的会战史上也可说是个奇迹，彻底毁灭了敌人捕捉我军主力、速战速决的侵略迷梦。
溯自1937年12月13日南京失守时起，到1938年5月19日我军自动放弃徐州时止，我军与南北两路双管齐下的敌军精锐竟周旋了五个月零六天，使其无法打通津浦路，充分地发挥了以空间争取时间的战略计划，使我大后方有充分时间来部署次一阶段的武汉大会战。到了津浦路保卫战最高潮时，我在台儿庄还打了一个举世闻名的胜仗，把宁沪战后敌军的一团骄气打得烟消火灭，同时也冲淡了我方在南京失守后的悲观气氛，使长期抗战重露一线曙光，也延迟了汪兆铭之流的“低调俱乐部”里汉奸们的卖国行动。
四徐州五个月的保卫战，今日回思虽颇有兵凶战危之感，然在当时环境下，我不但不觉其紧张，且觉生活颇有乐趣，其中数端，也不妨略述于此。
徐州此时是第二期抗战重心的所在，观战的西方各国武官和军事人员，以及国内外慰劳团体的来徐者，川流不息。长住徐州的中外记者、访员、作家也不下百数十人。长官部内终日熙熙攘攘，热闹之至。台儿庄告急之时，敌机更日夜狂炸。我空军既少，防空设备尤差，长官部内仅有一小型防空洞，可容二十人。每逢敌机来袭，洞内总为各种访客和本部少数胆小官员所占用。我身为司令长官，未便和他们去挤作一团，所以每逢敌机临空，我只是走到办公室外，在草地上看敌机投弹，或与二三访客谈战局。有时弹落长官部附近，震耳欲聋，客人每每恐惧至面无人色，而我则能处之泰然，若无其事。军民和一般访客对我的大胆和镇定都佩服得五体投地。正因为我个人的镇静和谈笑自若，使本城的紧张与恐慌的气氛大为减低。
台儿庄战前一次委员长来徐视察，他就感觉徐州情形危急，一再问我说：“你看徐州可以守吗？”我说：“请委员长放心，徐州短期内没有问题。如果我能得充足的补充，我可能还要打一个不大不小的胜仗！”委员长虽未多言，但是在神情上，我可看出他是将信将疑的。
此外我在平时纪念周上也一再强调徐州没有危险，我们说不定要打一小胜仗来转换转换空气。由于我个人的信心坚定，我的部队上下均充满信心，在徐观战人员及人民均甚沉着。作战五阅月，步骤未乱丝毫。凡此均足见兵凶战危之时，主将个人的言行关乎全局甚大。古人用兵所谓“指挥若定”，其重要意义盖亦在此。
在此紧张的局面中，和我数次谈论的一位来自美国的不平凡的访客，便是当时美国大使馆的上校武官，后来大名鼎鼎的史迪威将军。史君能操华语，和我谈话不用通译，人均称其为“中国通”，渠也颇引以为荣。史氏为人极豪爽，谈笑风生，颇有战将的气概。一见其人，便知道他可以做一位叱咤风云、出入枪林弹雨的猛将，而不是一位“借箸为君一筹”的参谋人才。言谈之间，他对我国抗战的前途很是悲观。因当时一般西方人士讥笑中国拿筷子去和日本军队打仗，史迪威身受高度物质文明和唯武器论的教育的熏陶，自更不能例外。我请其一述他对中日两国军队作战的观感。他即坦白表示，他是外交官员身份，不便发表意见。我提到中国军民抵抗日本侵略的英勇事迹时，他就申明他站在个人的立场，是相当同情的。我并说，这场战争是长期的消耗战，影响所及，希特勒很快就要发动欧洲大战，英法既无力兼顾东亚殖民地的利益，日本必然南进取而代之。日本军阀更可能对美国不宣而战，企图将美国在太平洋的势力驱回到西海岸去。届时，美国必被迫与中国站在同一战线上并肩作战，最后胜利当属于我们的。我希望他向美国政府建议，乘珠江和印度支那半岛的海口尚未被日军封锁之时，赶快贷款给我国，购买大量作战物资，运入西南大后方，增加中国军队的作战力量，以防制日本南进。中国有句“借刀杀人”的成语，实为美国对付日本最高明的策略。美国如果犹豫不决，则他日必定后悔莫及。不意史迪威听了，大摇其头，严肃地反驳我说，法国已建了马其诺防线，德国有何力量来发动欧战？至于日本，其志在征服中国，所以它自信尚有把握，若言南进，与强大的英美海军为敌，何异痴人说梦？我乃将国际局势的发展，反复申述，说，历史上的战争多是偶然爆发的，并不能以常理去判断。中日之战实由国联的姑息政策所引起，而后乃有意大利侵略埃塞俄比亚与德国废除《凡尔赛和约》的举动。如今侵略集团正得寸进尺，不幸英国张伯伦仍存姑息，法国则恃有马其诺防线，犹自醉生梦死。英法显然毫无备战的意向，而德国则利用其优越的工业基础，如火如荼地扩张军备。你轻视德国无力发动欧战，难道英法同床异梦，各行其是，反有力量抵抗希特勒的扩张主义？美国虽拥有雄厚的实力，然因地处西半球，且素抱门罗主义，对于国际纠纷，每不愿介入，凡此荦荦大端，皆为养痈遗患。根据此种逻辑来展望国际间的变化，则欧战的爆发与日本的南进，只是时间问题而已。
至此，史君亦无置辩的余地。我乃对中日战局作扼要的分析说，日本虽强，中国虽弱，但中国拥有广土众民的优越条件。敌人志在速战速决，而中国则志在困敌于泥沼之中，至其崩溃而后已。美国朝野睿智之士须知今日表面上虽为中日的战争，而实质上实为侵略集团与反侵略阵线的战争，中国不过是首当其冲而已。所以美国提早贷款援华，确是为美国将来在远东战场上减少子弟牺牲的不二法门。
史君倾听良久，才慨然说，假使他是罗斯福总统或国会议员，一定同意我的主张，只可惜人微言轻，莫可奈何云。
后来不久，欧战果然爆发了。我因公到重庆，史迪威请我吃饭，一见面，他就跷起大拇指说：“你说对了，你说对了！”原来他还记得我在徐州的一番谈话。这也是台儿庄会战时一段有趣而难忘的小插曲。
另有一事值得顺便一提的，便是二十一集团军师长杨俊昌失宿县受军法审判一事。
当长官部最后自徐州撤退时，二十一集团军总司令廖磊曾严令师长杨俊昌死守宿县，俟长官部退过宿县，始可放弃。无奈敌军企图断我后路，以优势兵力猛攻宿县。我守军至势穷力竭时，杨师长便向廖总司令请示，电话尚未说完，敌军已攻进城内，俊昌便放下听筒，且战且走，放弃了宿县。廖磊大怒，呈请严办杨俊昌。杨遂被押往汉口，交军法会审，判处监禁十年，其实杨师守宿县，已用尽最后力量，力竭始退。抗战期中，各部队所犯错误比此严重的，不知凡几，甚少受到处罚。纵使受到处罚，也很轻微。尤其是中央军，军官都是黄埔出身，同学之间互相照应，许多严重罪犯，都给马虎过去。所以如杨师长的十年监禁，多少有点冤枉。嗣后他在湘西芷江监狱，不时写信给我，请求缓颊。我因未便徇私，总是复书叫他耐性等待。俊昌足足坐了十年牢，胜利后才恢复自由。这也可说是徐州会战时，一点小小的美中不足。