中国军队组织了敢死队，分组向日军反击，人自为战，奋勇异常，夺回了一部分阵地。此时在外线作战的中国军队继兰陵歼灭战后，又在底阁、杨楼大败日军，解除了台儿庄东北方向的威胁。
6日，台儿庄北面炮声隆隆，中国的第20集团军出现在日军后方，日军撤退不及，陷入重围。6日晚，中国军队全线反攻，很快便肃清了台儿庄内的日军。7日，中国军队乘胜追击，日军伤亡惨重，残余部队趁夜突围。
台儿庄战役是抗战以来中国军队取得的一次重大胜利，日军两个精锐师团遭受重创，被歼2万余人。日军大本营对台儿庄战役的失败感到震惊。同时也侦悉中国军队在徐州地区集中了约40万人的兵力，遂增调30万大军，企图寻找中国军队决战。中国军队受台儿庄胜利的鼓舞，也向徐州地区调集援军，兵力增加到60万，准备相机打击日军。
5月初，日军兵分5路，进攻徐州。日军采取了南北对进，侧翼迂回的战略，企图截断中国军队退路，加以围歼。各路日军相互呼应，不断突破中国军队防线，向徐州逼近。
为保存有生力量，避免被日军合围，中国军队从5月15日起，分5路向皖西和豫南突围。在撤退途中，中国军队的后卫部队遭受较大损失，但主力部队于5月底安全转移至预定地区，使日军围歼中国军队主力的计划破灭。5月19日，日军占领徐州。
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