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戰爭打到二月三日時，此時日軍的三個師團已被壓縮到臺兒莊地區長不足四公里，寬不足三公里的狹小地區，總兵力已不足兩萬人，彈藥糧襪近乎用盡，而能戰之兵已不足五千，餘下的全是傷員，已接近崩潰的邊緣。
如果此時紅軍繼續猛攻，最多隻有四十八小時可以結束戰鬥。但是中共上層這時打起了圍城打援的主意，將攻擊的重心轉向連雲港方向的援軍。
到了二月七日，一直等到被頂在東海縣的日本援軍被掉過頭來的紅軍包圍後，針對臺兒莊的日軍的總攻令方纔下達。到了二月九日凌晨，一面紅軍旗幟插在了臺兒莊的土地上，三個日本師團就此“玉碎”。
完成了對臺兒莊日軍的圍殲後，紅軍全部的主力掉過頭來全力猛攻困在東海縣的五萬日軍。在此期間，日本軍部通過連雲港象添油般不斷地增兵。
在得到連雲港軍的支援後，被圍困在東海縣的日軍於二月二十日部分突圍成功，只有五千多人在紅軍團團圍攻下殺出重圍和連雲港方向援軍會合。
而後損失慘重的日軍退守連雲港，而紅軍擔心日軍艦炮的威脅，也只是包圍了連港的外圍。
打了近三個月的徐州會戰，就此告一段落。
此戰紅軍在山東到蘇北戰場上，總計投入了六十餘萬人的兵力，而日軍方面，包括新登陸山東的部隊和連雲雲港的援軍，前後總計投入十一個師團二十萬人，而戰役後期更從河北調來三個師團的授軍。
戰後，日軍方面三個師團撤編，三個師團被徹底打成殘廢，戰死數量達十萬人，傷達三萬人之多（大都被俘）。空戰中被擊落的飛機數量更高達五百餘架。對於1936年的日軍來說，這是傷筋動骨的大損失。之所以戰死者遠勝傷者，主要是這個時代的日軍被軍國主義思想洗腦嚴重，被圍殲的三個師團幾乎全是死戰不降，紅軍方面俘虜不多。
