中国军队坚守徐州地区达5个月之久，充分实现了以空间争取时间的目的，从而为中国军队在武汉的集结、布防赢得了时间。从这个意义上说，台儿庄大捷是中国军民打破日军“速战速决”战略企图，坚持持久抗战的一个有力砝码，破坏了日方的战略企图。
日本大本营因兵力不足及准备不够充分，在占领南京、太原后本来决定暂时停止进行大规模的进攻，制订了所谓“战局不扩大”方针，并下达了计划，以争取时间建立总体战体制及扩大军事力量。但由于台儿庄的失败和侵华日军当局为挽回面子强烈要求扩大战局，并由于发现中国军队大量集结徐州等情况，被动地改变了既定战略方针，在兵力不足及准备并不充分的条件下决定提前进行徐州会战。当时日军尚未完成扩军计划，根本无法从国内增派军队，只好从本来就感兵力不足的侵华日军中调集部队。
在华日军共约15个师团的兵力，调至徐州作战约10个师团，结果造成投入徐州会战的兵力不足以完成围歼徐州附近五六十万中国军队的任务，而留置后方的兵力更有捉襟见肘之忧，连守备同蒲、平汉、京沪、胶济、正太、津浦几条铁路干线上的要点都不够用。如第1军抽调了平汉路高邑、安阳地区的第16师团和新乡、焦作地区的第14师团去徐州作战，致使冀南、晋南守备空虚，不仅被迫放弃了长治地区，而且导致已经占领晋南黄河北岸的第20师团遭到中国第2战区部队昼夜攻击。这些中国部队大多是在日军进攻下已退至黄河以南、徐州会战开始后又乘虚渡河返回晋南的。日军第20师团被迫又放弃了蒲州(今永济西)、芮城、平陆等地，保持运城、河津、闻喜，并将主力退缩至曲沃、侯马、新绛地区固守。又由于第2战区部队破坏了铁路和以炮击控制了机场，日军第20师团的补给完全中断。当时日军无任何兵力可供调动增援，不得不以空投进行补给，但飞机不足，无法满足1个师团的需要，因此，徐州会战时期日军第20师团不得不以抢掠民间粮食以及野菜、树叶、青草充饥。事实上不仅第20师团陷于困境，而且华北被日军占领的所有地区都呈现不稳。日军因兵力缺少，只能被动地进行防御，完全没有实施大规模出击的能力，更谈不上占领新区。
检讨日军的这场大败仗，以日军战斗的观点而言，可以说是相当的轻敌，最初日军的进逼徐州外围战，根本是日军大本营所不同意的作战行为。日军大本营特别下达华北方面军南下的禁止线，是在徐州以北百公里之外，所以，徐州会战是一个被中国军队掌握战机所诱发的一个意外军事作战，这个会战彻底的改变了日本对华作战的战略构想。
日军不是因为徐州战略地位重要，要打通华北与华中战区，因而准备进攻徐州，而是因为华北方面军的不服军令约束，以轻敌的心态，孤军深入，结果在台儿庄遭到惨败，迫使日军大本营别无选择地动员所有的军力，仓促地发动徐州会战，但是日军仍然没有捉到中国军队主力。
因此，从徐州会战之后，日军在战略的主导能力上，开始完全的失控，速战速决的战略成为空想。日本逐步地陷入中国的战略空间陷阱之中，日军只有继续发动武汉会战以及华南攻略作战，将日军绝大部分的部队，都投入了中国的战场，这时日本既不能击败中国，又不能退出中国，迫使日本最后铤而走险，发动太平洋战争。
原来日本企图围歼徐州的中国军队，是一个相当有企图心的战略攻击计划，但是日军仍然犯了低估中国军作战能力的错误，在徐州宽广的地区，投入了25万的日军部队，仍然出现兵力不足的现象，对于当时的日军而言，这已是其动员部队的极限。同时日军过于自信的判断，认为中国军队只能利用陇海铁路西退，因此，日本将拦截的主力，全都放在截断这条铁路的交通线上，而大部分的中国军队却从日军的背后，向西南方撤走，使得日军在徐州企图围歼中国军队主力的计划再次落空。于是日军又在匆促之中，决定全面深入中国，进行汉口攻略的作战计划。