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此時的日軍，除去被困在徐州戰場的六萬人外，山東地界只有兩個半個師團，此外還有新佔領的連雲港還有約有一萬人的部隊。但是，這點人馬撒在這麼大的一片土地上，完全就象是撒胡椒粉一般，面對突然“暴起”四處作亂的敵後戰場，又要他們支援冒進的徐州方向的三個師團，又要維持後方的“治安”，哪裏可能做到。
一月二十一日，包圍日本三個師團的四十餘萬紅軍開始圍殲作戰。而連雲港和山東方向的日軍開始了“解圍”作戰。
戰事最激烈的地方是臺兒莊和東海縣這兩個戰場。
連雲港方向的日軍要想解徐州之圍，必須要擊穿佈置在東海縣、郯城一線的紅軍佈下的防線，方能和困在臺兒莊一帶的日軍會合。
得知三個師團被困於臺兒莊地區後，日本軍部大驚失色從國內緊急調動兵力乘船在連雲港登陸，不斷地增強對東海縣攻擊的兵力，到二月七日時，東海縣方向加上連雲港的日軍已增加到兩個半師團五萬人之多。
爲了救援包圍在徐州的日軍，日本人甚至將正在進攻河北的陸航全調到了山東和江蘇戰場，雙方的飛機就在臺兒莊一帶展開激烈的空戰。
由於有林漢這個人形雷達的掌控戰場，加上大批FW90在這個時間點通過蘇聯進入中國。大量補充了新飛機的紅軍取得了徐州戰役的制空權。不但擊落大批日本戰鬥機，也讓日本人想通過空投的方式爲困守臺兒莊一帶的日軍提供補給的設想成爲泡影。
而在同一時間針對臺兒莊地區日軍的圍攻依舊沒有停止。圍殲戰從一月二十二日一直打到一月三十一日，日軍的地盤被不斷壓縮，到了二月一日時，已接近彈盡糧絕的日軍多次發動“板載”刺刀衝鋒，卻被包圍他們的紅軍打了回去。
