除去被困在徐州战场的六万人外。山东地界只有两个半个师团。此外还有新占领的连云港还有约有一万人的部队。但是，这点人马撒在这么大的一片土地上，完全就象是撒胡椒粉一般。面对突然“暴起”四处作乱的敌后战场，又要他们支援冒进的徐州方向的三个师团，又要维持后方的“治安”，哪里可能做到。
一月二十一日，包围日本三个师团的四十余万红军开始围歼作战。而连云港和山东方向的日军开始了“解围”作战。
战事最激烈的地方是台儿庄和东海县这两个战场。
连云港方向的日军要想解徐州之围，必须要击穿布置在东海县、郯城一线的红军布下的防线，方能和困在台儿庄一带的日军会合。
得知三个师团被困于台儿庄地区后，日本军部大惊失色从国内紧急调动兵力乘船在连云港登陆，不断地增强对东海县攻击的兵力，到二月十日时，东海县方向加上连云港的日军已增加两个半师团五万人之多。
为了救援包围在徐州的日军，日本人甚至将正在进攻河北的陆航全调到了山东和江苏战场，双方的飞机就在台儿庄一带激烈的空战。
由于有林汉这个人形雷达的掌控战场，加上大批fw90在这个时间点进入中国。大量补充了新飞机的红军取得了徐州战役的制空权。不但击落大批日本战斗机，让日本人想通过空投的方式为困守台儿庄一带的日军提供补给的设想成为泡影。
而在同一时间针对台儿庄地区的日军的围攻依旧没有停止。围歼战从一月二十二日一直打到一月三十一日，日军的地盘被不断压缩，到了二月一日时，已接近弹尽粮绝的日军多次发动“板载”刺刀冲锋，却被包围他们的红军打了回去。
战争一直打到二月三日时，此时日军的三个师团已被压缩到台儿庄地区长不足四公里，宽不足三公里的狭小地区，总兵力已不足两万人，弹药粮袜近乎用尽，而能战之兵已不足五千，余下的全是伤员，已接近崩溃的边缘。
如果此时红军继续猛攻，最多只有四十八小时可以结束战斗。但是**上层这时打起了围城打援的主意，将攻击的重心转向连云港方向的援军。
到了二月七日，一直等到被顶在东海县的日本援军被掉过头来的红军包围后，针对台儿庄的日军的总攻令方才下达。到了二月九日凌晨，一面红军旗帜插在了台儿庄的土地上，三个日本师团就此“玉碎”。
完成了对日儿庄日军的围歼后，红军全部的主力掉过头来全力猛攻困在东海县的五万日军。在此期间，日本军部通过连云港象添油般不断地增兵，到二月底登陆连云港的日军突破四万人。
在得到连云港军的支援后，被围困在东海县的日军于二月二十日部分突围成功，只有四千多人在红军团团围攻下杀出重围和连云港方向援军会合。
而后损失惨重的日军退守连云港，而红军担心日军舰炮的威胁，也只是包围了连港的外围。
打了近三个月的徐州会战，就此告一段落。