1938年4月18日,日军第10、第5师分别从山东峄城(今属枣庄)和临沂西北的义堂地区南进,对守军第2集团军和第20、第3军团及第27军团第59军实施牵制性进攻。守军顽强抗击,至月底,将日军阻止在韩庄、邳县(今邳州)和郯城一线。5月5日,日军开始从南北两个方面向徐州西侧迂回包围。在南面,第9、第13师从蚌埠地区分别沿北淝河、涡河西岸北进,至13日,陷蒙城、永城(属河南)后,向江苏萧县、砀山(今均属安徽)进攻;第3师由蚌埠进入大营集地区,向宿县(今宿州)进攻。在北面,第16师由山东济宁渡运河,至14日,连陷郓城、单县、金乡、鱼台后,向江苏丰县、砀山推进;第14师从河南濮阳南渡黄河,陷山东菏泽、曹县后,直插河南兰封(今兰考);同时,第10师将韩庄、台儿庄地区的作战交由第114师接替后,在夏镇附近渡过微山湖,向沛县(属江苏)进攻。由于日军已形成对徐州的四面合围态势,5月15日,中国最高军事会议决定放弃徐州。16日,第五战区命令各部队分别向豫、皖边界山区突围。19日徐州陷落。日军沿陇海铁路西进,6月6日占领开封。为阻止日军前进,蒋介石9日下令在郑州东北花园口附近炸开黄河大堤,河水经中牟、尉氏沿贾鲁河南泛。日军被迫向黄泛区以东地区撤退。会战结束。