しかし敗退というのは支那側の誇張であった。真相は瀬谷支隊が台児荘攻略を完了しないうちに占領したものと誤認した隣接友軍・坂本支隊が転進するとの報に接し、連絡不十分のためやむなく瀬谷支隊も反転したもので、決して撃退されたものではなかった。

１）　徐州を占領して津浦線を打通することにあるか
２）　支那軍の撃破にあるのか

が問題となったが、支那野戦軍の撃破が主で、徐州の占領はその結果である、という認識で統一された。また、この翌年に実施予定であった漢口作戦の繰上げ実施も検討していた大本営は、４月中旬から５月末にかけて作戦部長橋本群（２０）少将以下を「大本営派遣班」として現地に派遣、北支軍と中支派遣軍の調整にあたらせることとした。

北支方面軍は４月下旬から、中支那派遣軍は５月５日ごろから行動開始、南北呼応して支那軍の退路を断つように分進合撃、徐州西方地区で５月１５、１６日頃包囲網が完成した。しかし総計約５０個師の支那軍は、南西方向に包囲の間隙を突破、脱出した。直径百数十Ｋｍの大平野で、日本軍はわずか７個師団余で、３倍程度の支那軍を包囲、捕捉しようとしても、網の目が大き過ぎて包囲・撃滅戦にはならず、戦果は意外に少なかった。　支那兵は数百名が一団となって隊列を乱して敗走し、飛行機を見るや馬も車も放棄して麦畑の中に隠れてしまう。　実際に日支両軍で激戦といえるものは、上述の台児荘付近での１ヶ月にわたる戦闘がその主体であり、その他は「徐州、徐州と人馬は進む」の歌どおり、機動と行軍の連続であった。日本軍は５月１７日、１８日追撃命令を発し２０日徐州を占領したが、支那軍は６月１２日、黄河の南岸堤防を自ら破壊、大洪水を発生させ日本軍の前進を完全に停止させた。

本作戦の追撃段階で、第１軍司令官（香月清司中将）は隷下第１４師団（師団長　土居原賢二中将）を徐州作戦に協力させるにあたり大本営命令に基づく北支那方面軍命令を無視し、蘭封付近の要所を占領するように命じた。このため第１４師団は第２軍の指揮下に移され第１軍司令官は罷免され、７月３０日付で予備役編入となった。

大本営は昭和１３年６月１８日　漢口攻略準備を命令、中支那派遣軍は揚子江及び准河の正面で逐次西方に地歩を占め、作戦を準備した。大本営は、徐州作戦の目的が明確ではなかったことに鑑み、この作戦は要地武漢の占領であること、及び主作戦を海軍と協同し補給面でも容易な揚子江に沿う正面と明示した。作戦発起を和平工作との関連及び収穫期を控えた９月上旬と規定した。攻略作戦準備として、海軍の協力で第１１軍の一支隊を揚子江を遡らせ、７月下旬から８月上旬にかけて九江及びその北岸の黄海を占領地歩の拡大に努め、また第２軍主力も盧州付近に終結した。

作戦は海軍の協力を得て揚子江両岸を進む第１１軍（司令官　岡村寧治中将）と、これに策応する第２軍（司令官　東久邇宮稔彦王中将）によって８月下旬から開始された。
第２軍の前進は大別山系北方を迂回する第３、第１０師団と、大別山系を横断する第１３、第１６師団の２路をとり、支那軍の抵抗、徹底的な道路破壊、多数の河川、険峻な山地での困難な補給、疾病の流行、炎暑、多雨といった困難を克服、ほぼ２ヶ月をかけ漢口北方に進出した。
一方第１１軍では揚子江北岸を第６師団が数線陣地の支那軍を逐次撃破して広済を占領、その後黄海−広済の間で優勢な支那軍の攻撃を阻止撃退し、かつ有力な一部を田家鎮に派遣、これを攻略した。

揚子江南岸では第１０１、第１０６師団が南方への地歩拡大に努めていたが、支那軍の抵抗で１ヶ月以上戦況は進展しなかった。おくれて九江付近に集結した第９、第２７師団は、九江−瑞昌を経て武漢に向って進攻を始め、９月１５日要衝馬頭鎮を陥として西進、１０月２５日漢口南方で粤漢線を遮断、北岸を前進した第６師団も１０月１７日から追撃にうつり、１０月２５日漢口東端に達した。支那軍は同日市内から撤退し漢口は陥落した。大本営は漢口占領翌日、進出限界線を示し、これに基づき第９師団が１１月１１日岳州を占領して武漢作戦を終わった。