于是蒋介石马上口授给李宗仁十万火急的电令：
第 5 战区司令长官李宗仁：
军委会着令你部力避决战，撤离徐州，火速突围。
1. 顾祝同第 24 集团军在苏北，第 69 军及海军陆战队在鲁中南原地坚持抗战；
2. 刘汝明第 68 军为全军后卫，掩护主力转移；
3. 第 5 战区其余各部，立即向豫皖边区突围。
接到蒋介石指示的李宗仁当即做出了谋划，将部队分成五路，分别突围。
5 月 17 日，他下令战区各部按预定序列，逐次突围。令汤恩伯军团向西突围，猛攻日军；令孙连仲、张自忠、庞炳勋在运河设防，凭险作固守以掩护大军撤退。
5 月 18 日黄昏，李宗仁与长官部将士约 700 余人趁夜色经宿县、蒙城后，与敌人擦肩而过，跳出包围圈，移驻到了潢川。



负责留守徐州城的刘汝明部在萧县一带成功伏击了敌第 9 师团，予以重大打击。
日军见中国军队大部已经撤离，又企图围歼刘汝明部，刘汝明部佯装死守徐州模样，在各路大军都撤退后，也趁夜弃城撤退，于 19 日离开徐州。
日军没有捕捉到刘汝明部主力，甚至连一个上尉都没有捉到。
同被指定担任殿后事宜的张自忠部，也于 18 日战区主力陆续撤离后，命令各掩护部队放弃阵地，开始撤退。其所指挥的第 21 师、第 27 师和第 139 师现行，所属的 59 军则负责殿后。
在危急时刻，张自忠常常亲率手枪队走在全军之后，有一次，部队在一个小镇休息，突然飞来 3 架敌机狂轰乱炸，其中一颗炸弹在附近爆炸，气浪掀起泥土，盖了他一身。
敌机过后，他站起身，掸去泥土，戴上吹掉的军帽，继续说笑行进，这种临危不乱的态度给官兵以极大感染，稳定了军心。
中国军队边战边退，维持着完整的阵型按部就班向西、南撤退，陆续冲破日军阻击，最终在河南南部及湖北北部集结，各部相继抵达，皆无重大伤亡。
为避免接敌形成恶战，李宗仁提前电令各部守军，在稍作抵抗后即相机撤向山区、湖沼等不利于日军机械化展开的地区，「化整为零」，进行游击战，又与敌人纠缠了月余。
日军华中派遣军之第 13 师团一路杀奔而来，于 5 月底扑到徐州城下，却发现李宗仁唱了一出空城计，在付出了伤亡万余人的代价后，只得到了一座空城，这让敌人大感挫折。
而此时，各路大军已经按预定路线，全部安全撤到了皖西、豫南地区，庆祝着战斗的胜利。
会战结束后，华北驻屯军参谋长桥本群少将带着大本营派遣班的高级参谋们垂头丧气地回到东京，向天皇和杉山元陆相报告：

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