5月20日前后,日军第十师团、第十六师团分别从沛县、丰县向徐州合击;第一一四师团从津浦路以东地区向徐州进击;第九、第十三师团攻占萧县后向徐州挺进;第三师团攻占宿县后沿津浦路向徐州合围。5月19日中午,徐州失陷。当日,蒋介石电令第二十二集团军总司令孙震,将徐州一带火车、机关车全部毁灭,以免为敌所用[24]。此时,中国守军的主力已经全部转移,驻守徐州的鲁南兵团亦已分两路从徐州西南和南部突围。李宗仁的第五战区长官司令部及陇海兵团之第二十军团等,从宿县分头向西和向太和、阜阳等方向突出重围[25]。