为策应津浦铁路北线的作战，南线日军集结重兵开始北犯。华中日军计划兵分三路，一路以主力由怀远取蒙城、永城；一路经濉溪口攻萧县，两路日军向徐州西侧迂回；一路由巢县向合肥、由盐城向阜宁进攻。
战前，中方对日军的战略意图已有判断，敌将以一部攻合肥，牵制淮南兵团，以主力沿津浦线迅速进出淮河左岸，续向蒙城方面策动，南北互相呼应，攻略徐州，打通津浦路。较之于津浦铁路北线日军兵力有限而言，蒋介石判断南线日军威胁更大，临沂之敌，仍为第五师团残部，则其后方必另有增援部队。济南敌军之数不过万人，则津浦北段敌军必不敢取积极行动。惟南段则应注意，以其后方联络反较北段安全也。至5月上旬，第六师团抵达巢县、庐州地区，第一0一师团由佐藤正三郎指挥以5个步兵大队及1个野炮兵大队编成佐藤支队逼近阜宁。7日，日军第一0一师团佐藤支队由盐城北犯，未遭激烈抵抗便轻取阜宁。为此，蒋介石严厉斥责负责苏北防守的第二十四集团军副总司令韩德勤，阜宁之敌不满三千，长驱千里，如人无人之境，目下竞有窥东海遮断陇海路之趋势。该副总司令所部兵力优敌五倍，而丧师失地，影响主力军侧背之安全，将何以自解？第三师团占据蚌埠、怀远一线。淮河北岸、淝河、涡河的日军战前实施试探性进攻，连日以飞机、火炮猛轰，出动战车六七十辆配合步骑兵冲击中国守军阵地，致使第一七0、第一七一两师的阵地大部被冲破。第十三师团则由河西岸向蒙城方向推进，攻陷龙亢后，8日与第四十八军第一七三师在蒙城发生混战。9日晨，桂军疲敝，不堪应战,日军猛攻蒙城，副师长周元率部固守，守城官兵与日军苦战一昼夜，2000余人殉国，蒙城失陷。此后，日军继续北进，第二十一集团军西撤。10日，日军第九师团经北淝河南岸占据板桥。13日，日军推进至永城，派出一部直驱砀山，步兵第三十五联队主力则迂回进攻萧县。15日，李兆英第一三九师奉命守卫萧县，固守待援。
萧县四面环山，为确保城垣，李兆英派两个营兵力向冒山店、丁里集推进，途中遭遇日军先头部队，随即双方展开激战，守军在凤凰山、龙山抢占阵地。16日，日军出动飞机，战车轰击萧县城垣、城外高地及四面城关先后陷落。17日，中方第一四三，第一八0，第二十一师增援受阻。第一三九师困守孤城，四面陷人重围，联络中断，伤亡惨重，弹尽粮绝。日军由北门攻入城中，李兆英手中已无预备队。危机时刻，李兆英率旅长、参谋人员在一线督战，参谋长等多人阵亡。城垣大部被占，仅剩东门一隅，守军被迫放弃阵地，冲出重围，转进太康。不久，徐州以西、陇海铁路黄口车站也被北上的日军切断。17日，蒋介石综合敌情判断，敌昨已围攻萧县，而黄口亦失，则敌之南北主力，必长驱直入，会攻徐州。19日，渡过浍河的第三师团攻占宿县。至此徐州以西，以南的津浦路防线已完全洞开。
此时，津浦路北段的日军也向徐州步步紧逼。5月7日，日军第二军下达作战令：第十六师团5月9日从济宁附近出发，击败当面之敌，首先迅速进入砀山、唐寨方面；第十师团准备逐步向临城方面转进；第五师团准备向徐州东面地区前进。29日，第十六师团占领胡家集，击溃第三集团军第七十四师后，占领菏泽、鱼台、金乡。12日，日军又在鲁南采取守势，在淮北、鲁西两路夹击，切断陇海铁路，合围徐州的战略意图已趋明显。而蒋介石低估了日军的力量，仍乐观认为，查日寇自鲁南屡败惊慌万状，近竟放弃晋绥江浙既得地位，仅残置小部扼守要点苟延残喘，而调集所有兵力指向陇海东段孤注一掷，以图幸逞，其总兵力合两淮鲁豫至多不过15万，较之我军使用各该战场之兵力约为4倍以上之劣势，且敌之后方处处受我扰袭，补给不便。较之我之后方有良好交通线者，其补给及兵力转用之难易相去甚远。目下敌不顾其兵力之不足及战略态势之不利，竞敢采用外线包围作战，其必遭我军之各个击破而自取败亡殆无疑问。蒋介石致电李宗仁，指示变更原有作战计划：一，先击灭淮北及鲁西之敌；二，鲁南方面在敌抽调兵力转用鲁西之情况下，除应以有力部队增强右翼防敌包围外，须即刻设法抽出三、四师兵力位置徐州，为该战区预备队必要时用蒙城方面之攻势；三，鲁南方面即决心取守势，于必要时可依运河逐次抵抗，至不得已时则困守徐州国防工事线，以获得攻势方面决胜之时间；四，总之，五战区第一任务在击灭蒙城方面之敌，使全盘态势有利，否则保有鲁南阵地亦属无益。14日，蒋介石又致电李宗仁、白崇禧，指示利用日军孤军深入之机，予以围歼，敌军逼近陇海线，深人重地，且其兵力不足，我军不仅可以打破其战略之包围，面且必能包围敌寇，此为歼敌惟一之良机，以其淮北，鲁西两方敌军，皆无后方安全之交通，只要我军能共同动作，协力夹击，则不出旬日，即可得最后之胜利。
然而，战事并未按中方的计划进行，日军快速推进，大大超过了中方先前的设想。不久，十六师团派出一部进至徐州以西的汪阁，切断了陇海铁路。15日夜，集结在韩庄、峄县、枣庄的第十师团，抽出一部西渡微山湖，趁机转移攻势，进入鲁西地区同中国守军展开激战。鲁西平原地势平坦，中国守军利用当地城寨节节抵抗，但阻止不了日军的推进。日第十四师团在第十六师团的配合下，由濮县渡过黄河，接连占领菏泽、曹县、逼近兰封，南路日军占领了黄口车站，切断了第一、第五战区的联系。北路日军除在鲁西平原上与国民党军激战外，5月20日又以一部取海道从连云港登陆，包围徐州之势已经形成。到此时，战局对中方已极为不利。徐州以南津浦路防线已完全洞开。
（文献主要来源：步平，王建朗.中国抗日战争史第二卷（战时军事），社会科学文献出版社）
