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55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。
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***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***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”。
中国统帅部对追击行动缓慢甚感焦虑。4月12日，蒋介石致电李宗仁、白崇禧：“台庄之捷已逾5日，峄、枣、韩、临尚未攻下。踌躇审顾，焦虑至深。以乘胜之军更加主力部队追援绝溃惫之寇，不急限期歼灭，一旦敌援赶至，死灰复燃，是无异隳已成之功而自贻将来之患。万望激励将士努力进攻，一面分途堵击，务于一二日内将残寇全数歼除。庶敌兵再至，我更有以待之。”李宗仁、白崇禧身在前方指挥，对日军及所属各部情况知之较深：第2集团军经台儿庄苦战，人员伤亡惨重，且武器装备甚差，实无力对装备精良且又占领既设阵地的日军进行攻坚战斗；第20军团的武器装备虽然较好，军队实力亦强，但军团长汤恩伯一向“避免攻坚”，而事实上在当时具体情况下也确实不宜以攻坚战斗取胜。李宗仁、白崇禧遂于4月13日复电统帅部：“现敌改为守，凭借峄县附近山地为据点，以枣庄为犄角。
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