攻占南京后，華中日軍繼續(xù)向南推進，意圖打通津浦鐵路，使南北戰(zhàn)場聯成一片。為此先后調集8個師、3個旅、2個支隊約24萬人，實行南北對進的方針，計劃首先攻占華東戰(zhàn)略要地徐州，然后沿隴海鐵路（蘭州－連云港）西取鄭州，再沿平漢鐵路（北京－漢口）南奪武漢。國民革命軍由第五戰(zhàn)區(qū)司令長官李宗仁指揮，先后調集64個師另3個旅約60萬人,以主力集中于徐州以北地區(qū)，抗擊北線日軍南犯，一部兵力部署于津浦鐵路南段，阻止南線日軍北進，以確保徐州。

1937年12月26日，日軍猛攻山東青島與煙臺。蔣介石急電山東省主席韓復渠務必固守津浦沿線要地，不料韓復渠為私利置之不理，不戰(zhàn)而退，省會濟南、泰安相繼淪陷。津浦線門戶大開。

4月，中國最高軍事當局令第五戰(zhàn)區(qū)集中主力兵力于徐州附近，準備與日軍進行決戰(zhàn)。日軍改以部分兵力在正面牽制對方，主力向西迂回，企圖從側后包圍徐州，殲滅第五戰(zhàn)區(qū)主力。5月13日，日軍第一軍第十四師團，由荷澤渡黃河，準備在遠方截斷隴海路向西的交通。第二日，菏澤被攻克。華中派遣軍第十三第九師團強渡淮河，北攻徐州，主力經由宿縣，而撲向徐州西方的隴海路要地碭山，切斷國軍西撤路線。另外又派第三師團以及兩個支隊北上，直逼徐州。日軍陸戰(zhàn)隊登陸連云港，對徐州進行三面包圍。

5月15日，為保證有生力量，蔣介石決定放棄徐州。16日，第五戰(zhàn)區(qū)命令各部隊分別向豫、皖邊界山區(qū)突圍。1938年5月19日徐州陷落。日軍繼續(xù)推進，占領開封，蔣介石下令炸開花園口黃河大堤，以洪水阻斷日軍前進路線，日軍被迫向黃泛區(qū)以東地區(qū)后撤。徐州會戰(zhàn)告一段落。