全國抗戰進行了半年之後，徐州會戰爆發，1937年12月，南京失陷。隨著日軍越過黃河，濟南、泰安失守，中日軍隊將在以徐州為中心的地區決戰的形勢已經出現。
雖然最後由於中國軍隊自身的缺陷，如後勤保障落後；通訊聯絡差；指揮機關組織不完善；參謀人員缺乏組織，指揮混亂；存在派系鬥爭缺乏協同和配合等，徐州會戰最後失利了。但持續四個月的持久戰吸引敵人了十數萬兵力於津浦線，為武漢備戰、中國國力重心西移爭取了時間，為爾後全國持久抗戰奠定了基礎。這樣的一個基礎背後，伴隨著的是中國軍隊的巨大損失。
龐炳勳第3軍團
截至3月26日，龐部已傷亡殆盡，龐炳勳致蔣介石密電稱“總計戰鬥兵，現不滿千人”。結合徐祖貽致李宗仁電“龐軍兵力損失過巨…已失戰鬥力”，即便考慮到龐有保存力量誇大傷亡的因素，按龐部戰鬥兵萬人計，亦可約略看出龐部傷亡當在8000人以上。
張自忠第59軍
劉景岳和于麟章在回憶文中稱，該軍在最初三天（3月14、15、16日）的激戰中，大量斃傷日軍，但自身“傷亡也不下六、七千之多”。顧相貞證實此說，至17日晨，該軍統計傷亡人數，“第三十八師自投入臨沂戰役以來，傷亡近四千人，第一八0師也傷亡了二千余人”。《山東省志.軍事志》採信此說，稱“至17日，（第59軍）傷亡7000余人”。郭汝瑰《中國抗日戰爭正面戰場作戰記》一書亦採信此說，稱“至17日上午，第59軍已傷亡6000余人”。迨至21日臨沂戰役第一階段結束，于麟章稱“傷斃敵軍約六千人…我軍傷亡人數也在八千人”，顧相貞稱第59軍“傷亡官兵近九千人”。第59軍戰鬥詳報則證實了此數據，24日，再次增援臨沂的第59軍在城西北一帶集結時，全軍可戰之兵僅有1.3萬人，而該軍一戰臨沂前卻有戰鬥兵員2.1萬人，減員8000。
通過下屬單位的傷亡也大略看出第59軍傷亡之慘重。原第38師第113旅旅長李致遠在回憶文中稱，僅在15-18日的劉家湖戰鬥中，“第二二八團原有兩千余人，損失半數以上；第二二四團也傷亡近半數。”從3月14日至19日，59軍成建制戰死者計有第26旅第678團（團長崔振倫，在進攻朱陳鎮戰鬥中，該團另有一營人犧牲過半）第2營，第113旅第226團第6、10連，114旅227團第12連。時任第59軍軍部參謀處作戰科少校參謀的王丕廉在回憶文中稱：“經過三晝夜的激烈戰鬥，我方僅連長就傷亡一百餘員，士兵傷亡五分之二”。
考慮到第59軍傷亡過重，早在3月16日，徐祖詒即建議該軍撤出戰鬥，轉往郯城修整，被張自忠拒絕。
第2次臨沂戰役後，于麟章稱第38師“減員萬餘人” ，張自忠遂決定將該師合併編成一個旅，約千人，歸軍直接指揮。據180師39旅參謀長楊遇春回憶文稱，該旅“只剩下200多人，其餘3000余人皆傷亡。”楊作為旅參謀長，提供的本旅戰鬥傷亡人數數據應該是可信的。
關於第59軍兩次臨沂戰役的傷亡，張自忠本人在3月29日4時致李宗仁電也曾透露，“傷亡達萬餘人”。這個數據彈性很大，不少著述乾脆直接引為1萬人。不過，通過相關資料來推算，第59軍的傷亡要遠超過1萬人。
3月25、26日張部第38師在解救龐炳勳部的三官廟、桃園之戰中，傷亡2000余人；又張自忠29日4時致電李宗仁稱，27、28兩日以來傷亡兩千余人。二者合計就是四五千人。另據劉景岳、于麟章回憶文章稱：“先後兩次臨沂作戰，我（59軍）傷亡各級官佐八百餘員，士兵萬人以上。”如果參照張自忠19日14時致李宗仁電中所列官、兵傷亡比例：傷亡軍官209人、士兵3273人，則第二次臨沂戰役結束時張部軍官傷亡800余，士兵傷亡應在13000人左右。
這樣，第59軍在兩次臨沂戰役中傷亡數約在1.3萬-1.4萬之間，加上在淮河阻擊戰中傷亡的2000人，整個臺兒莊戰役，第59軍傷亡約在1.5萬人以上。
孫震第22集團軍
張宣武在回憶文中稱：“第四十一軍守城部隊自第一二二師師長王銘章以下傷亡5000余人，在滕縣以北界河、龍山一帶作戰的第四十五軍，自一二七師師長陳離以下傷亡亦達四五千人。這次戰役，共斃敵2000余人。”41軍124師741團第2營營長熊順義也稱，從3月9日至18日，川軍保衛滕縣“犧牲、負傷萬餘人”，其中第45軍“從一二七師師長陳離、一二五師七五0團團長姚超倫（原文誤，應為745團。750團團長為陳士俊-筆者注）以下傷亡的營、連、排長等官兵四五千人。”
能證實上述數據的還有李宗仁3月21日致蔣介石密電，稱第22集團軍在滕縣之役中“傷亡官兵不下萬人”。
而第22集團軍代總司令孫震在滕縣戰役戰鬥詳報中卻稱“是役…我陣亡官兵3000余人，負傷官兵4000余人；四十一軍佔傷亡總數四分之三。”時任該部少將參謀處長胡臨聰在回憶文中也稱，滕縣戰役守衛滕縣城與週邊的第22集團軍共傷亡8000余人（陣亡五千余人，負傷三千余人）。
但通讀孫震戰鬥詳報全文，戰役起止日期為3月9-17日，且主要是敘述14-17日的滕縣城戰鬥。胡臨聰文章類似。孫、胡的數據顯然未含3月9日之前第2集團軍傷亡，而該集團軍第45軍早在1938年1月即已入駐滕縣並與日軍發生過數次戰鬥，如在2月中旬的郭山、兩下店戰鬥中，第125師第750、745兩團即傷亡約千人。
因此，第22集團軍在整個徐州會戰前期總傷亡在萬人左右，還是較接近實際的。
湯恩伯第二十軍團及臨時配屬部隊傷亡
在3月16、17、18日最初三天的作戰中，僅第85軍2個師即“陣亡營長三員，傷二員，傷團長一員，傷亡連排長廿余員，士兵二千余人。”同期在沙溝阻擊日軍的關麟徵部第2師第6旅傷亡不詳，但李宗仁在19日致蔣介石密電中曾說：“我（第6旅）第十一團傷亡甚大”。
在3月31日臺兒莊東北方戰鬥中，第85軍與第52軍夾擊坂本支隊，予敵重創，“五十二軍與八十五軍各傷亡1300余人”；4月3日，第20軍團突破坂本支隊所據之小王莊、劉莊等陣地，並與敵發生肉搏戰，“第85軍第4師兩日來傷亡約千人”。
湯恩伯4月6日晨致電李宗仁：“（臺兒莊）當面之敵經我關（麟徵）、王（仲廉）、周（碞）各軍徹夜猛攻，肉搏十余次，斃敵三千余人，俘獲正在清查。我軍傷亡亦大。”湯的電報內容雖未指出所部具體傷亡數字，但從當時中日兩軍戰鬥力及“我軍傷亡亦大”一語來推測，湯部傷亡即便比敵方少，也應該不會差距很大。
湯部部分將領的回憶文章中有所部整個徐州會戰期間的傷亡數據，而未提階段戰鬥傷亡。第110師在徐州會戰後到達河南唐河整編時，只剩下一個旅的兵力，“在這次會戰（指整個徐州會戰）中傷亡了五千余人。”自3月中旬開赴魯南以來，經過一個多月連續不斷的作戰，第52軍兩個師都有很大傷亡，特別是鄭洞國第2師，“有作戰能力的官兵，已不足原來人數的一半。”其中，第2師在臺兒莊戰役期間的嶧縣北大窯附近戰鬥最為激烈，敵我雙方一度展開白刃戰，第2師多處陣地曾數度得而復失、失而復得，是役敵我都有很大傷亡。師長鄭洞國甚至在3月30日上午攻打嶧縣城東一帶時，被敵炮彈擊中，只因彈片為其衣袋內銀元所擋，鄭才倖免傷亡。
以上相加，湯恩伯第20軍團及臨時轄屬各部總傷亡在萬人左右，應該不會誇大。
孫連仲第2集團軍
早在4月5日晨，李宗仁即致電軍令部：“廿七師現僅余戰鬥員約二千名，卅一師一千四百餘名”，另，臺兒莊守軍6日傷亡亦“在二百名以上”。至日軍從臺兒莊退卻時，第30師師長張金照稱所部“全部兵力只剩下四千多人”。也就是說，臺兒莊戰役結束後，第2集團軍所轄第27、30、31三個師所余戰鬥員僅七八千名左右，加上獨立第44旅，最多也就在萬人左右。該集團軍損失應在1.4萬人以上。
其他部隊傷亡
池淮阻擊戰中，劉士毅第31軍、于學忠第51軍合計傷亡近6000人，孫桐萱第3集團軍之谷良民第56軍（1938年3月縮編為第22師，隸屬孫桐萱第12軍）參與的濟寧戰役，“自進攻到退卻，歷時約半個月，我軍傷亡約2000余人，但亦予敵以重創。”
綜合以上，在徐州會戰期間，中國軍隊傷亡合計約6.5萬餘人。
