陆相杉山元很清楚，徐州是中原重镇，武汉政府定然不会轻易放弃，如果不能调集重兵，四面合围，那将很难打通津浦线而聚集部队这是需要时间的，于是杉山元命令华北日军司令寺内寿一指示板垣征四郎的第五师团必须尽快救出坂本支队，然后脱离战斗，等待时机。
按照杉山元的计划，侵华日军将从华北方面军和华中派遣军的陆军师团之中纠集了13个精锐师团，约30万军队，包括后退补充休整后的板垣师团，并配有各种重武器，飞机数百架，兵分6路对徐州形成大包围，采取南北对进，侧翼迂回的战术，围歼云集在徐州一带的第五战区中国军队主力。
得到命令的坂本支队立即转向，疯狂的向临沂方向靠拢，汤恩伯的20军团一步也不敢后退，死死地顶在了坂本支队的前面。
华毕成则带着消灭完矶谷师团的数十万中国大军缓缓压上。
此时，日军前线指挥官电告大本营：徐州地区有一股中国军的强大集团，据可靠情报，该集团兵力约为50个师，60余万人，几乎全部为武汉政府的精锐部队。
陆军统帅部顿时欣喜若狂，认为这是报台儿庄之仇的一次难得的战机。
杉山元陆相当即向裕仁天皇报告，强烈主张发动徐州会战。他说：“对于集中在徐州方面的中国军予以痛击，可以收到挫伤敌军抗战意志的巨大效果。因而，陆军准备实施对徐州的歼灭作战，由于该敌差不多是中国军队的精锐主力，并且已经处于孤立状态，我军应不失时机，以大的兵力，以大的规模会战，使之一举彻底歼灭该敌。本职认为，只要达到了歼灭这股敌军的战略企图，就能使武力解决中国事变，促使武汉政权屈服投降，迈出决定性的一步，亦可挽回我军在台儿庄的不良影响。”
裕仁天皇见报，顿时喜出望外，他也认为这是打压蒋委员长嚣张气焰的大好良机，于是立即予以批准：准许陆军围歼徐州中国军队，并要求此次进攻，定要取得巨大战果，不能使徐州地区50个师的中国军队一人漏网，务求全歼。
为求速战速决，不失这千载难逢的良机，大本营陆军部于当日向华北方面军总司令官寺内寿一大将、华中派遣军总司令官畑俊六大将下达南北并进，合围徐州的作战命令。
日大本营在动员华北方面军、中支派遣军的主力投入这场战斗的同时，还下令关东军派军支持。
由于华北方面军司令官寺内寿一大将与华中派遣军畑俊六大将的官衔相同，谁也不会接受对方的指挥，因此，只有紧急派遣大本营陆军参谋本部的作战部长桥本群少将，率领参谋本部的参谋军官，在济南成立大本营派遣班，组织包括华北与华中日军的参谋军官，进行徐州会战的作战协调工作。
日军以第十六、第一四四师团增援北线的第五师团，沿津浦路向南推进，以吸引中国军队主力；以第十四师团从濮阳渡黄河入鲁西南和豫东，断陇海路，从而阻遏援徐州之中国军队，亦断徐州守军退路；以第十三师团在南线的蚌埠、怀远间集结；以第六、第九师团向凤阳、合肥进逼；以第一〇一师团向苏北攻击。
杉山元的这一手立刻让李长官感到了压力，而正在集中精力围攻坂本支队的华毕成却完全没有察觉。
4月17日至18日，中国军队猛攻板垣师团坂本支队，但由于坂本支队已经在20军团的重压下坚守多日，形成了较为完备的工事，从而使得中国军队付出了较大的伤亡代价，好在中国军队受到全歼矶谷师团的胜利鼓舞，士气比较旺盛，成功的额延续了攻势。
19日凌晨，板垣师团主力与汤恩伯20军团第13军遭遇，并成功击溃第13军主力前进至向城，与坂本支队遥相呼应。
华毕成命令汤恩伯务必阻断板垣师团前进的脚步，并派遣57军和川军赶往助战，但终究还是晚了一步，包围圈中的坂本顺玩了一招声东击西，没有从距离板垣师团最近的东面突围，而是虚晃一枪向北而去，集中所有的战车和火炮打垮了张轸的110师突围而去，华毕成得知坂本支队突围成功的消息之后长叹了一口气，然后将这个消息报告给了李长官。
五战区的中国军队在坂本支队逃跑的路上实施了多次劫杀，当坂本支队和板垣师团在向城汇合时，这支一万余人的支队只剩下了不到四千人。板垣征四郎生怕他的第五师团也陷入中国军队的重围，步了矶谷师团的后尘，接到坂本支队之后立即北撤，59军和第3军团趁机收复临沂。
至此，台儿庄战役全部结束，加上对坂本支队的杀伤，五战区打死打伤日军的总数上升到了3。1万人，由于华毕成带来的蝴蝶效应，台儿庄大捷的战果比原来历史上大了三倍。
在此次会战中，中国军队伤亡人数也超过了3万人，台儿庄会战实则是一场战术上的平手，战略上的胜利。不过抗战全面爆发以来，这可是中国军队第一次战役级别的胜利，极大的鼓舞了全国的抗战士气，振奋了军心民心。