第五師團和第10師團的慘敗使日本陸軍統帥部籠罩在一片沮喪的情緒當中：威名赫赫的皇軍從七七事變開始就迭遭重創，先是在上海和南京被十九路軍吃掉了兩個師團，現在又被中央軍擊潰兩個師團，非但遠遠沒有達到戰前在天皇面前許下的三個月解決問題，反而讓至高無上奠皇陛下在世人面前蒙受莫大的恥辱！
惱羞成怒的日本天皇和統帥部一怒之下決定再次迅速向大規模增加兵力，發動更大的進攻，誓報臺兒莊一箭之仇，以洗雪奇恥大辱。恰在此時，日本華中方面軍偵察發現，集結在徐州地區的軍隊沒有撤退，根據可靠情報，該集團約有五十個師，六十餘萬人，而且全部是中央軍的精銳部隊！
日本陸軍統帥部接到消息之後喜出望外，立即向天皇報告，建議發動徐州會戰。天皇見報也是欣喜若狂，認爲這是挽回顏面，剎住正在進行膽兒莊勝利大宣傳的好機會，隨即批准了陸軍統帥部的作戰計劃，並重點強調：陸軍此次進攻，務必全殲徐州地區五十個師的軍隊。
日本陸相杉山爲了達到速戰速決的目的，於4月7日向華北方面軍總司令寺內大將和華中方面軍總司令多田俊六大將下達大本營陸軍部第84號命令：第一、大本營意圖擊破徐州附近之軍隊。第二，華北方面軍司令部應以有力之一部佔據蘭封縣城以東隴海線以北之地區。第三、華中方面軍司令部應以有力之一部佔據華北方面軍司令部之徐州以南津浦路附近之地區。
杉山陸相爲了確保徐州會戰的勝利，在會戰打響後專門派遣了以陸軍作戰部長橋本羣少將等高級參謀人員組成的‘大本營派遣班’前往徐州前犀就地指導會戰。
4月中旬，日軍華中方面軍和華北方面軍，集結精銳部隊十三個師團，約三十萬人，配備大量的重物器，在數百架戰機的支援下，採取南北對進，側翼迂迴的戰術，兵分六路，再次向徐州撲來，企圖以迅雷不及掩耳之勢把軍隊的主力包圍在徐州附近。
此時，身爲國民大本營最高統帥的蔣介石正沉浸在臺兒莊大捷的興奮裡，對日軍的進攻意圖一無所知，命令徐州地區的部隊發揚‘臺兒莊血戰’的光榮精神，堅決阻擊來犯之敵，最好能再來幾個這樣的大捷。雖然，他已經接到第十九集團軍司令孫百里發來滇醒電文，卻認爲是杞人憂天之舉而沒有理會。
4月下旬，華北日軍一路，向徐州東北面進攻，與孫連仲兵團在峰縣、向城等地激戰，而另外一路日軍則向臨沂、大埠等處進攻，與張自忠部血戰。
5月上旬，南路日軍相繼攻佔徐州南面的蒙城、宿縣等地，然後攻陷徐州西面的黃口車站，切斷了徐州西南面的退路。
5月中旬，華北又一路日軍，強渡黃河魯西地區，迅速攻佔了鄲城、荷澤、金鄉和魚臺等地，與南路日軍相呼應，自西北方向朝徐州逼近。
至此，日軍完成了對徐州的包圍，數十萬軍隊面臨着滅頂之災！
徐州戰場越來越慘烈的戰報不斷傳到國民大本營，使蔣介石開始清醒下來，仔細研究戰場憚勢，推測日軍的意圖，當他看到地圖上代表着日軍進攻的黑色箭頭已經圈住徐州的時候，大吃一驚，立刻明白了日軍的意圖，隨即電令李宗仁指揮第五戰區部隊突圍。
李宗仁接到命令之後，立即組織部隊突圍，爲了避免淞滬會戰撤退時所造成的混亂局面，他做了細緻周密的安排，把數十萬大軍分成五路，分別突圍。
5月下旬，五路大軍按照指定的路犀全部安全撤退到安徽西部和河南南部的平原地帶，而擔任掩護任務的劉汝明第68軍，在完成任務後，放棄徐州，也巧妙地跳出了日軍的包圍圈。
5月底，等日軍撲進徐州城的時候，這才發覺這裡已經是一座空城，連軍隊的人影都沒有看見。日軍發動的徐州報復作戰，歷時一個多月，付出了傷亡三萬多人的代價，佔領了一座空城，完全沒有達到最初的戰略目的。
消息傳到福州，孫百里終於長長地舒了口氣，同時也對第五戰區司令長官李宗仁卓越的指揮能力感到欽佩不已。
孫百里推測，雖然日軍在徐州撲了空，但是其龐大的兵力已經展開，絕對不會就此罷手，肯定會順勢沿着隴海路向鄭州方向推進，取道河南攻擊武漢，儘管還沒有接到大本營的命令，但是爲了穩妥起見，他還是命令已經集結在閩浙邊境的時刻做好開拔的準備，同時命令新二師抓緊時間補充人員和裝備，爭取隨時可以投入戰鬥。
讓孫百里沒想到的是，他的這一決定在無意中挫傷了川軍的自尊心。暫編第一師師長林翼如和暫編第27師師長張宣武在新四師師長向文彬的陪同下來到司令部，主動要求加入第一批開拔的部隊。
張宣武漲紅着臉說道：“軍長，我們川軍自從到淞滬戰場以來就一直被友軍譏笑：說我們裝備不好、戰鬥力差，十個師才能抵得上日軍一個師團！那時候士兵用的大部分是老套筒，連‘漢陽造’都沒有多少，更不用說中正式了，機和大炮比其他部隊更是差一大截子，所以只能夾着尾巴做人。現在司令部按照主力師的編制裝備了這麼先進的武器，正是爲川軍爭回面子的時候，可是軍長您卻不讓我們上陣，是不是也信不過我們！？”
林翼如雖然沒有說話，但是從臉色看也是非常的激番向文彬怕孫百里面子上下不來，急忙打個圓場：“軍長，他們的部隊剛剛加入集團軍，可是寸功未立，而我們十九路軍的名聲又這麼響，怕被別人嘲笑是濫竽充數，所以想證明自己的戰鬥力，希望司令部能同意。”
孫百里絲毫沒有在意兩個暫編師長憚度，反而笑眯眯地問道：“你們是不是認爲我厚此薄彼，沒有把川軍和集團軍原有的部隊一視同仁？”
張宣武心直口快，沒等向文彬插話就氣呼呼地回答道：“難道不是嗎？”急得向文彬在旁邊乾瞪眼。
孫百里笑着朝向文彬擺了擺手，示意他不必着急，然後對張宣武說道：“張師長，你的部隊雖然和集團軍原來的幾個主力師的裝備是一樣的，但是並不等於有同等的戰鬥力啊！”
張宣武依然不服氣地說道：“軍長，你說我們兩個師比不過第60、61師，這我們承認，他們畢竟是參加過淞滬會戰和南京保衛戰的英雄部隊，可是怎麼可能連從來沒有和鬼子教過手的新二師都不如，我們畢竟和小鬼子真刀真地幹過呀！”
孫百里看向文彬臉上的表情似乎也認同張宣武的說法，就仔細地解釋道：“部隊的戰鬥力不外乎和裝備、訓練、經驗、士氣等因素有關，你們這兩個師雖然在裝備上和其他部隊相同了，但是其他方面的差距是很大的。首先是對裝備的掌握程度：新二師換裝已經快一年了，而你們卻是剛剛完成。其次是部隊的訓練：軍醫檢查後發現，你們部隊當中有三分之一的人身體達不到規定的標準，而在單兵科目的測試當中和其他部隊的差距更大，舉個簡單的例子，新二師有15%的士兵射擊是優，30%是良，而暫編師的這兩項指標分別是2%和7%。再次是實戰經驗：新二師的骨幹都是參加過1.28事變的老兵，經驗並不比你們差。最後是部隊的士氣：這一點是最至關重要，但是又是最難培養起來的。同樣一支軍隊，如果士氣不同的話，表現出來的戰鬥力會有天淵之別。新二師雖然還沒有上過戰場，但是有一股銳氣，而暫編師卻連續兩次被日軍擊潰，怎麼能夠同日而語呢？”
看到三個川軍將領露出深思的神情，孫百里語重心長地勸說道：“百里能夠體會你們的拳拳報國之心，也很想能夠和諸位一起在戰場上痛擊日寇，但是兵兇戰危，不得不慎重！如果把沒有經過良好訓練的士兵派上戰場，與謀殺何異？”
三個師長互相看了看，心悅誠服地點了點頭，張宣武問道：“軍長，那我們回去就督促部下刻苦訓練，努力提高戰術水平。可是您也要時刻想着我們啊，不要總是沒有上陣殺敵的機會！”
孫百里笑着說道：“你們加入十九路軍也有些日子了，對集團軍的規矩也應該有所瞭解：只有在福州的訓練基地測試達標的部隊纔有機會被首選！如果你們真的想早日參戰的話，就老老實實按照《步兵典》的要求刻苦訓練，仗有你們打的！”
聽了孫百里的解釋，幾個人終於消除了心中的誤會，不好意思地看着孫百里。
張宣武尷尬地說道：“軍長，我們誤會了你，真是對不起！以後再也不會以小人之心度君子之腹了！”
林翼如說道：“軍長不讓我們上陣，其實是對川軍的愛護，我們太不應該了！”
孫百里笑着說道：“你們也是愛國心切嗎，再說，我沒有解釋清楚也是有責任的，你們就不要再胡思亂想了！”
經過這次事件，川軍終於真正地融入了十九路軍這個大家庭當中！