同日，第2集团军总司令接到第一战区司令长官程潜的电报：“本长官奉令特来徐州督战。台儿庄之敌限自鲁起至齐日止(6日至8日)，3日内务捕捉歼灭。树立首功者奖洋10万元，否则师长以上定予重惩。”
孙连仲接电报后立即“严令各部务于限期内将当面之敌肃清，免受军令制裁”。第110师于当晚从得胜口潜渡运河北进，准备于次日进攻獐山附近之敌。
4月6日晨，日军濑谷支队长发现第110师的部队已进至泥沟、獐山以西附近，第20军团第52军的部队已逼近至支队部所在地杨庙东北约7公里的张楼地，而坂本支队主力已被第58军及第75军从北、东、南三面包围于邢家楼、大顾珊地区，且又准备于今晚撤走。这样，“濑谷支队长认为独立维持台儿庄战局困难”，决定退却，于15时30分电告矶谷廉介：“暂撤离台儿庄地区，部队向后方集结”；同时部署撤退，下令：“支队于本日日没后以全力向北转进”，令步兵第10联队第1大队及步兵第39联队第1大队提前于日没时即占领白山西村及獐山，令步兵第63联队主力(不包括台儿庄部队)于日没时向朱庄进攻，以掩护支队主力撤退，第10联队、台儿庄内第63联队第2大队及顿河闸、插花沟、黄林庄的各中队均于20时撤出第一线，向泥沟地区集结。在兖州的矶谷廉介接到濑谷启的电报后，立即命令参谋长电告濑谷启，令其终止后退。但濑谷启身陷险境，深知如果今夜不能迅速脱离台儿庄地区，等明日中国军队合围后就有被全歼的危险，因而抗命不从，继续指挥支队退却。由于仓促退逃，又是在中国军队的进攻下进行的，所以许多军需物资，如粮秣、弹药、被服以及日军尸体等均来不及带走，全部放火焚烧；有些重型机械化武器也因弹尽油竭、无法开动，不得不自行破坏，遗弃于战场。仅就台儿庄附近战场而言，该支队仅有的2门155毫米重炮及4辆履带牵引车以及8辆坦克均遗弃于战场(后被第200师运至湖南湘潭修理)，可见其溃逃时的狼狈之状。
台儿庄内的日军与第31师的部队隔墙相接、邻屋而战。日军想安全撤走，但守军以密集火力及手榴弹封锁，相当一部分日军在撤退的最后一刻被歼灭。至7日凌晨4时左右，台儿庄内的日军全被肃清。
4月7日，日军濑谷支队主力退至官庄地区，后方掩护部队在獐山一带。坂本支队得悉濑谷支队北逃后，当夜亦在火力追击下加速撤逃。本欲向东北、经向城返回临沂，由于第20军团主力均在东北方向，根本无力突出重围，于是改向西北方向败退，向第10师团部队靠拢。
第五战区司令长官李宗仁得知日军北逃的情况后，于13时下达了追击命令：“(1)台儿庄附近经我孙、汤两军击溃之敌，现向峄县方向逃窜中。(2)汤军以一部肃清战场，以主力由台、枣支路(不含)以东，沿夏庄、马山、九山、潭山以南地区向峄县追击前进。(3)孙军指挥张轸师(第110师)由台、枣支路(含)向峄县追击前进。(4)曹福林(堵击兵团)应于峄县以北地区截击敌人，勿使窜逸。(5)敌如退据峄县城，孙、汤两军各以一部占领峄县东、西方高地，主力协同击灭城外敌之野战军后，围攻峄县城。(6)敌如以峄县城为后卫阵地，孙、汤两军各以一部监视之，主力尾敌穷追。(7)孙震军(第22集团军)应由新闸子渡运河，追击韩庄方面之敌。(8)李仙洲师应继续经向城向东，扫荡临沂以西之残敌，向临沂前进。到达后归张军长自忠指挥。(9)予在铜山。”各部接令后，开始按命令追击。
4月8日，濑谷支队主力集结于峄县地区，一部兵力占领獐山、白山西；坂本支队退至枣庄以南郭里集一带。第2军司令官西尾寿造令第5师团以步兵第21旅团为基干的坂本支队归第10师团长指挥。矶谷廉介命令两支队“在现驻地附近大力整顿兵力，搜集敌情，作好下一步进攻准备”。
在整个台儿庄战斗期间，第3集团军遵照第五战区的命令，以有力部队渗入到兖州以北地区进行游击作战，以配合台儿庄的作战：3月23，第12军的第81师夜袭兖州，歼敌一部，并将兖州以北铁路破坏；3月26日，第55军的第29师炸毁大汶口铁路多处，使日军列车脱轨；3月29日，第81师又夜袭大汶口飞机场，炸毁敌机8架等。
4月9日至11日，追击的中国军队先后均已迫近峄县：左翼兵团进至峄县以南的白山西、泥沟一带，右翼兵团进至峄县以东的土山、马山一带，堵击兵团进至枣庄以北地区。此时日军濑谷、坂本两支队已集中兵力占领了白山西、獐山、九山、郭里集等各要点，一方面凭借工事进行防御，一方面以攻击行动破坏和迟滞中国军队的进攻。因而第2集团军及第20军团虽然“连日猛攻，不惟进展甚缓，且颇多损失”。
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