鬼子越來越近了。師參謀長黃啟東英勇殉國了，劉冠雄團長也在戰鬥中犧牲了。李必蕃師長看了看身邊的幾名隨從，手一揮，毫不猶豫地衝出戰壕。在激戰中，李必蕃師長身負重傷。隨從副官急忙把李師長攙扶下來，組織直屬連殺開一條血路，突出重圍。
傍晚，滿身是鮮血的李必蕃被救護到菏澤以南5餘公裏的曲隻集。李必蕃從昏迷中醒來，得知菏澤已經被日軍占領，悔恨交加，決定以一死來激勵將士們繼續抗日。他吃力地取出一份地圖，寫下了“願我同胞，努力殺賊”的遺言，趁護理人員不注意，猛地舉起手槍，在自己頭上開了一槍。
李必蕃以身殉國，在全國反響強烈。國民政府追晉李必蕃為陸軍中將。國民黨的《中央日報》、《大公報》等報刊，紛紛登載文章，讚揚李必蕃的愛國精神。中共中央和八路軍總部代表郭沫若、吳玉章、羅炳輝等人率領代表團，參加李必蕃的追悼大會，並送了一塊刻有“民族之光”的大匾。1986年，湖南省人民政府追認李必蕃為革命烈士。
菏澤失守那天，日軍第14師團主力攻占曹縣，第16師團主力攻占金鄉。部署在這一地區的國民黨軍隊沒有能夠阻止日軍的進攻，致使中國軍隊徐州地區的防線被日軍突破。這一突破，對徐州地區的防禦產生了重大影響。
5月15日，沿津浦鐵路北上的日軍第3師團攻占大營集以後，在第9師團左翼支隊的配合下，向徐州挺進。
日軍連續進攻的炮聲，大片領土的失陷，迫使國民政府的一些高級將領重新認識徐州地區的軍事態勢。在數量上占有絕對優勢的中國軍隊，未能有效地抗擊日軍的進攻，短短10天時間，南北兩路日軍即完成了對徐州地區的合圍，這使蔣介石等人感到十分意外。國民政府一些高級將領開始意識到，在黃河與淮河之間的狹小平原地區同裝備精良的日軍進行決戰，是不現實的，要消滅日軍，必須另謀他路。為了保存有生力量，5月15日，國民政府軍事委員會召開會議，決定放棄徐州。
蔣介石下達的命令是：“避免決戰，撤離徐州。”
5月16日，李宗仁根據蔣介石的旨意，下達了第5戰區各部隊脫離徐州戰場的命令。司令長官作出的撤退部署是：劉汝明指揮第68軍占據徐州有利地形，掩護各部隊撤出徐州戰場。第24集團軍留在蘇北。第69軍同海軍陸戰隊一起，在魯南、魯中地區開展遊擊戰。第5戰區主力部隊分成5路，分別向徐州西南方向突圍，向河南、安徽邊界的山區撤退。李宗仁部署完撤退任務以後，靜靜地坐在指揮室裏，心情格外沉重。
李宗仁的腦海裏掠過這樣一個念頭：數十萬部隊撤到桐柏山區，退到江南的水網稻田地，“化整為零”，進行遊擊戰，是否可行呢？
5月18日，李宗仁同白崇禧、劉斐等第5戰區長官部的人員一起，在第31軍和第7軍１個師的掩護下，從蕭縣以南地域突圍，向阜陽前進。一路上，日軍的飛機不時地臨空偵察。為了免遭意外，李宗仁一行白天隱蔽，夜間行軍，整整在途中行軍７天７夜，終於到達阜陽。
第5戰區的主力部隊突圍進入西南山區以後，在桐柏山、大洪山開辟據點，抗擊日寇。
5月19日，第68軍完成了掩護第5戰區各部隊撤離徐州的任務，即放棄徐州。當日，日軍占領徐州。
在徐州會戰接近尾聲時，發生了在抗日戰爭中有重大影響的兩個事件。一個事件是中國空軍到日本進行“紙片轟炸”，一個事件是黃河決堤。
“紙片轟炸”發生在徐州陷落的當天。
徐州會戰失利後，侵華日軍越來越猖狂，日軍飛機對武漢、重慶、廣州的轟炸也越來越頻繁。國民政府召開最高軍事會議時，有人提出，中國應該對日軍占領徐州作出強烈反應，在這個時候，一定要千方百計打擊侵華日軍的囂張氣焰，要激勵全國軍民的抗日熱情。在日軍的強大攻勢麵前，中國采用什麼方法打擊日寇？這是一個難題。
有人說：日軍飛機對中國的大城市狂轟濫炸，中國空軍就不能轟炸日本本土嗎？
有人說：中國是文明古國，是禮儀之邦，不能像日本法西斯那樣，濫殺無辜。
有人說：“七七”事變以來，日軍殘暴地屠殺中國人民，侵占中國大片領土，中華民族遭受了巨大災難。日本本土並非固若金湯，我們為什麼不能讓日本當局嚐嚐中國人的炸彈？