高军局令五战区集兵力徐州附近，准备再次聚歼军。军改部分兵力正牵制方，主力向西迂回，企图侧包围徐州，歼灭五战区主力。4月18，军10、5师分别山东峄城（今属枣庄）临沂西北义堂区南进，守军2集团军20、3军团及27军团59军实施牵制性进攻。守军顽强抗击，至月底，将军阻止韩庄、邳县（今邳州）郯城线。5月5，军始南北两方向徐州西侧迂回包围。南，9、13师蚌埠区分别沿北淝河、涡河西岸北进，至13，陷蒙城、永城（属河南），向江苏萧县、砀山（今均属安徽）进攻；3师由蚌埠进入营集区，向宿县（今宿州）进攻。北，16师由山东济宁渡运河，至14，连陷郓城、单县、金乡、鱼台，向江苏丰县、砀山推进；14师河南濮阳南渡黄河，陷山东菏泽、曹县，直插河南兰封（今兰考）；，10师将韩庄、台儿庄区战交由114师接替，夏镇附近渡微山湖，向沛县（属江苏）进攻。5月旬，方越越惨烈战报断传武昌民党军委蒋介石案，徐州突临严重危机，使因台儿庄胜利冲点晕乎乎脑冷静。蒋介石突识：军图围歼徐州**队主力。若徐州50精锐师被军吃掉，抗什战？蒋介石立即叫何应钦、白崇禧、陈诚等块研究策划。军企图已经暴露，再死守徐州已实，何应钦等亦主张赶紧突围决定放弃徐州。蒋介石口授给李宗仁十万火急电令：
5战区司令长官李宗仁：军委令部力避决战，撤离徐州，火速突围。
、顾祝24集团军苏北，69军及海军陆战队鲁南原坚持抗战。
二、刘汝明68军全军卫，掩护主力转移。
三、5战区其余各部，立即向豫皖边区突围……
16，五战区命令各部队分别向豫、皖边界山区突围。**队且战且退，阵形乱，按部班向西、向南撤退。军阻处，**队冲处，破，军向河南南部及湖北北部集结，各路相继冲重围。避免与优势敌消耗战，各路敌军向徐州步步合围，李宗仁令部各路守军，稍抵抗，即相机撤向山区、湖沼区，进“化整零”游击战，与敌纠缠月余。5月18黄昏，李宗仁与长官部官兵应员700余，乘夜色经宿县、蒙城，越敌包围圈移驻潢川。留守徐州城刘汝明部萧县带伏击军9师团，军造重伤亡。军见**队部已走，企图徐州城围歼刘汝明部。刘汝明部佯死守状，及见各路军撤尽，根据蒋介石命令，放弃徐州城，巧妙跳军数十万军重围，安全转移。敌军击溃刘汝明部，甚至连尉捉。军华派遣军13师团路杀，李宗仁唱空城计，令争功华北方军感挫折，军伤亡万余代价，座空城。5月旬，各路军按命令路线，全部安全撤抵皖西、豫南区。军沿陇海铁路西进，6月6占领封。阻止军进，蒋介石9令郑州东北花园口附近炸黄河堤，河水经牟、尉氏沿贾鲁河南泛。军被迫向黄泛区东区撤退。战结束。
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此役，**队广官兵英勇奋战，首先南线将军阻止淮河南岸，打破其与北线军合企图；继北线将东路军击败临沂区，将西路军右翼阻止嘉祥区，粉碎军台儿庄师计划。台儿庄区战，五战区采取积极防御战法，部担任内线防御，另部置外线战，攻防结合，灵活机，获捷。随，高军局顾敌强弱体形势，调集军徐州附近，企图与军决战，因使战期陷被。尽管此，次战消耗军力量，迟滞军进攻速度，部署武汉保卫战赢间。
方伤亡：1，庞炳勋3军团截至3月26，庞部已伤亡殆尽，庞炳勋致蒋介石密电称“计战斗兵，满千”。结合徐祖贻致李宗仁电“庞军兵力损失巨…已失战斗力”，即便考虑庞保存力量夸伤亡因素，按庞部战斗兵万计，亦约略庞部伤亡8000。
2，张忠59军刘景岳麟章回忆文称，该军初三（3月14、15、16）激战，量毙伤军，身“伤亡六、七千”。顾相贞证实此，至17晨，该军统计伤亡数，“三十八师投入临沂战役，伤亡近四千，八0师伤亡二千余”。《山东省志.军志》采信此，称“至17，（59军）伤亡7000余”。郭汝瑰《抗战争正战场战记》书亦采信此，称“至17午，59军已伤亡6000余”。迨至21临沂战役阶段结束，麟章称“伤毙敌军约六千…军伤亡数八千”，顾相贞称59军“伤亡官兵近九千”。59军战斗详报则证实此数据，24，再次增援临沂59军城西北带集结，全军战兵仅1.3万，该军战临沂却战斗兵员2.1万，减员8000。
通属单位伤亡略59军伤亡惨重。原38师113旅旅长李致远回忆文称，仅15-18刘湖战斗，“二二八团原两千余，损失半数；二二四团伤亡近半数。”3月14至19，59军建制战死者计26旅678团（团长崔振伦，进攻朱陈镇战斗，该团另营牺牲半）2营，113旅226团6、10连，114旅227团12连。任59军军部参谋处战科少校参谋王丕廉回忆文称：“经三昼夜激烈战斗，方仅连长伤亡百余员，士兵伤亡五分二”。
考虑59军伤亡重，早3月16，徐祖诒即建议该军撤战斗，转往郯城修整，被张忠拒绝。
2次临沂战役，麟章称38师“减员万余”，张忠遂决定将该师合并编旅，约千，归军直接指挥。据180师39旅参谋长杨遇春回忆文称，该旅“剩200，其余3000余皆伤亡。”杨旅参谋长，提供本旅战斗伤亡数数据应该信。