为了这场决战，红军全国七成的空军都集中到了这里，而这时，汉娜那边也通过“出口飞机给苏联”的方法，绕过了英国人禁运，将大批FW90战机送到中国来。

一月十日，徐州战役暴发。

第五、第六师团猛攻徐州，先前一路顺风顺水的第五师团第六师团，却在这里碰到了早有准备的守军坚决的抵抗，早就挖好的大规模堑壕工事，布置在徐州一线的重炮，以及事前布好的大面积雷区，让进攻的日军撞得满头是包。而进攻宿迁方向的第七师团同样也严重受挫。

先前无往不利的九四式超轻型坦克和八九乙式坦克，在这儿却遇上了大量的反坦克枪，战防炮和维克斯坦克的猛列打击，损失惨重。

到了一月十五日这天，红军从灌云地区发动大规模的反击战，一举切断了连云港方向的日军和第五、六、七三个师团的联系，截断了他们和最近的连云港补给线间的联系。

而同一时间，先前一直沉寂的济宁、微山湖方向的红军在这一天从西线发动全面反击，济宁方向的红军大批南下，微山湖方面的红军则借助水路大批渡过微山湖，两路红路联手，只用了一天的时间就夺回兵力空虚的枣庄，两天后拿下兰陵。与此同时，灌云地区的红军也配合西进北上，拿下郯城县。

到了一月二十日，先前高歌猛进的日本三个师团近六万人，就被红军团团包围在宿迁、徐州到台儿庄这一狭小的三角地带。

而包围这六万日军的，是整整五十万的红军精锐部队，前面和其作战的部队，不过是为了达到诱敌深入的目的方才一路撤退。

为配合江苏方向红军的行动，先前挺进山东农村开辟敌后根据地的十余万红军，这也时也在山东日本人的后方大肆“作乱”，袭击日军运输队，破坏道路，袭击机场，闹得不亦乐乎。

此时的日军，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，到二月七日时，东海县方向加上连云港的日军已增加到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展开激烈的空战。

由于有林汉这个人形雷达的掌控战场，加上大批FW90在这个时间点通过苏联进入中国。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，也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。但是中共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”。

完成了对台儿庄日军的围歼后，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。

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，只有五千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。

此战红军在山东到苏北战场上，总计投入了六十余万人的兵力，而日军方面，包括新登陆山东的部队和连云云港的援军，前后总计投入十一个师团二十万人，而战役后期更从河北调来三个师团的授军。

战后，日军方面三个师团撤编，三个师团被彻底打成残废，战死数量达十万人，伤达三万人之多（大都被俘）。空战中被击落的飞机数量更高达五百余架。对于1936年的日军来说，这是伤筋动骨的大损失。之所以战死者远胜伤者，主要是这个时代的日军被军国主义思想洗脑严重，被围歼的三个师团几乎全是死战不降，红军方面俘虏不多。