第五师团和第10师团的惨败使日本陆军统帅部笼罩在一片沮丧的情绪当中：威名赫赫的皇军从七七事变开始就迭遭重创，先是在上海和南京被十九路军吃掉了两个师团，现在又被中央军击溃两个师团，非但远远没有达到战前在天皇面前许下的三个月解决中国问题，反而让至高无上的天皇陛下在世人面前蒙受莫大的耻辱！
恼羞成怒的日本天皇和统帅部一怒之下决定再次迅速向中国大规模增加兵力，发动更大的进攻，誓报台儿庄一箭之仇，以洗雪奇耻大辱。恰在此时，日本华中方面军侦察发现，集结在徐州地区的中国军队没有撤退，根据可靠情报，该集团约有五十个师，六十余万人，而且全部是中央军的精锐部队！
日本陆军统帅部接到消息之后喜出望外，立即向天皇报告，建议发动徐州会战。天皇见报也是欣喜若狂，认为这是挽回颜面，刹住中国政府正在进行的台儿庄胜利大宣传的好机会，随即批准了陆军统帅部的作战计划，并重点强调：陆军此次进攻，务必全歼徐州地区五十个师的中国军队。
日本陆相杉山为了达到速战速决的目的，于4月7日向华北方面军总司令寺内大将和华中方面军总司令多田俊六大将下达大本营陆军部第84号命令：第一、大本营意图击破徐州附近之中国军队。第二，华北方面军司令部应以有力之一部占据兰封县城以东陇海线以北之地区。第三、华中方面军司令部应以有力之一部占据华北方面军司令部之徐州以南津浦路附近之地区。
杉山陆相为了确保徐州会战的胜利，在会战打响后专门派遣了以陆军作战部长桥本群少将等高级参谋人员组成的‘大本营派遣班’前往徐州前线，就地指导会战。
4月中旬，日军华中方面军和华北方面军，集结精锐部队十三个师团，约三十万人，配备大量的重物器，在数百架战机的支援下，采取南北对进，侧翼迂回的战术，兵分六路，再次向徐州扑来，企图以迅雷不及掩耳之势把中国军队的主力包围在徐州附近。
此时，身为国民政府大本营最高统帅的蒋介石正沉浸在台儿庄大捷的兴奋里，对日军的进攻意图一无所知，命令徐州地区的部队发扬‘台儿庄血战’的光荣精神，坚决阻击来犯之敌，最好能再来几个这样的大捷。虽然，他已经接到第十九集团军司令孙百里发来的提醒电文，却认为是杞人忧天之举而没有理会。
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