而与此同时，第七兵团主力趁着日军开始撤退之机，发动了更为猛烈的进攻，再付出了一定的伤亡代价之后，终于成功的突破了日军台儿庄防线。

李国韬接到消息之后，随即命令五个师的兵力直接南下，追击撤退的日军，与装甲师和两个骑兵师配合，击溃日军主力。其余部队负责尽快清除台儿庄附近日军残敌。

台儿庄的日军主力本来都是从华北地区撤下来的残兵败将，士气全无，战斗力已经下降到了极点。在八路军主力的猛烈追击下，和装甲师骑兵师的拼死拦截之下，日军最终被彻底击溃。

十几万日军主力先后被歼灭近十万人，最后只有几万残兵败将成功逃回了徐州。经此一战，徐州日军元气大伤。

西线战场，八路军也是进展顺利，趁机收复了砀山，随后沿着陇海铁路继续向徐州方向挺进。

至此徐州日军只剩下大约十万人，被迫龟缩于徐州城附近，日本大本营震怒，严令岗村宁次必须守住徐州，挡住八路军主力南下。