中國軍隊堅守徐州地區達5個月之久，充分實現了以空間爭取時間的目的，從而為中國軍隊在武漢的集結、布防贏得了時間。從這個意義上說，臺兒莊大捷是中國軍民打破日軍“速戰速決”戰略企圖，堅持持久抗戰的一個有力砝碼，破壞了日方的戰略企圖。

日本大本營因兵力不足及準備不夠充分，在占領南京、太原后本來決定暫時停止進行大規模的進攻，制訂了所謂“戰局不擴大”方針，并下達了計劃，以爭取時間建立總體戰體制及擴大軍事力量。但由于臺兒莊的失敗和侵華日軍當局為挽回面子強烈要求擴大戰局，并由于發現中國軍隊大量集結徐州等情況，被動地改變了既定戰略方針，在兵力不足及準備并不充分的條件下決定提前進行徐州會戰。當時日軍尚未完成擴軍計劃，根本無法從國內增派軍隊，只好從本來就感兵力不足的侵華日軍中調集部隊。

在華日軍共約15個師團的兵力，調至徐州作戰約10個師團，結果造成投入徐州會戰的兵力不足以完成圍殲徐州附近五六十萬中國軍隊的任務，而留置后方的兵力更有捉襟見肘之憂，連守備同蒲、平漢、京滬、膠濟、正太、津浦幾條鐵路干線上的要點都不夠用。如第1軍抽調了平漢路高邑、安陽地區的第16師團和新鄉、焦作地區的第14師團去徐州作戰，致使冀南、晉南守備空虛，不僅被迫放棄了長治地區，而且導致已經占領晉南黃河北岸的第20師團遭到中國第2戰區部隊晝夜攻擊。這些中國部隊大多是在日軍進攻下已退至黃河以南、徐州會戰開始后又乘虛渡河返回晉南的。日軍第20師團被迫又放棄了蒲州(今永濟西)、芮城、平陸等地，保持運城、河津、聞喜，并將主力退縮至曲沃、侯馬、新絳地區固守。又由于第2戰區部隊破壞了鐵路和以炮擊控制了機場，日軍第20師團的補給完全中斷。當時日軍無任何兵力可供調動增援，不得不以空投進行補給，但飛機不足，無法滿足1個師團的需要，因此，徐州會戰時期日軍第20師團不得不以搶掠民間糧食以及野菜、樹葉、青草充饑。事實上不僅第20師團陷于困境，而且華北被日軍占領的所有地區都呈現不穩。日軍因兵力缺少，只能被動地進行防御，完全沒有實施大規模出擊的能力，更談不上占領新區。

檢討日軍的這場大敗仗，以日軍戰斗的觀點而言，可以說是相當的輕敵，最初日軍的進逼徐州外圍戰，根本是日軍大本營所不同意的作戰行為。日軍大本營特別下達華北方面軍南下的禁止線，是在徐州以北百公里之外，所以，徐州會戰是一個被中國軍隊掌握戰機所誘發的一個意外軍事作戰，這個會戰徹底的改變了日本對華作戰的戰略構想。

日軍不是因為徐州戰略地位重要，要打通華北與華中戰區，因而準備進攻徐州，而是因為華北方面軍的不服軍令約束，以輕敵的心態，孤軍深入，結果在臺兒莊遭到慘敗，迫使日軍大本營別無選擇地動員所有的軍力，倉促地發動徐州會戰，但是日軍仍然沒有捉到中國軍隊主力。

因此，從徐州會戰之后，日軍在戰略的主導能力上，開始完全的失控，速戰速決的戰略成為空想。日本逐步地陷入中國的戰略空間陷阱之中，日軍只有繼續發動武漢會戰以及華南攻略作戰，將日軍絕大部分的部隊，都投入了中國的戰場，這時日本既不能擊敗中國，又不能退出中國，迫使日本最后鋌而走險，發動太平洋戰爭。

原來日本企圖圍殲徐州的中國軍隊，是一個相當有企圖心的戰略攻擊計劃，但是日軍仍然犯了低估中國軍作戰能力的錯誤，在徐州寬廣的地區，投入了25萬的日軍部隊，仍然出現兵力不足的現象，對于當時的日軍而言，這已是其動員部隊的極限。同時日軍過于自信的判斷，認為中國軍隊只能利用隴海鐵路西退，因此，日本將攔截的主力，全都放在截斷這條鐵路的交通線上，而大部分的中國軍隊卻從日軍的背后，向西南方撤走，使得日軍在徐州企圖圍殲中國軍隊主力的計劃再次落空。于是日軍又在匆促之中，決定全面深入中國，進行漢口攻略的作戰計劃。