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日军大本营始终不想轻易地扩大战争，但在台儿庄战役期间发现在这一地区出现了大量中国军队，特别是精锐部队第20军团，认为可以组织一次大的决战，给予中国军队主力一次沉重打击，从而挫败中国军民的抗战意志，因此决定进行徐州会战。
4月3日，日军大本营向华中派遣军、华北方面军下达了预先号令，并将华中派遣军、华北方面军的主要参谋人员都召到东京，对徐州会战进行讨论研究。4月7日，日军大本营正式下达“大陆命第84号”命令：
一、大本营企图击破徐州附近之敌;
二、华北方面军司令官，以有力一部击破徐州附近之敌，占据兰封以东陇海路以北地区;三、华中派遣军司令官，以一部兵力协助华北方面军击破徐州附近之敌，占据徐州(不含)以南津浦路及合肥附近地区。
同时，大本营还下达了“大陆指第106 号”的《徐州附近作战指导要领案》。
根据大本营的命令，华北方面军与华中派遣军协商后，于4月10日制定了徐州会战的指导方案。计划会战将分为三个阶段：第一阶段为抑留作战，对由台儿庄北进的中国军队进行有限攻势，保持接触，将其抑留于韩庄、峄县、临沂一线，同时华中派遣军以一部兵力从淮阴向西北方向推进，将中国军队牵制于徐州东南地区。第二阶段为包围作战，华北方面军以4个师团的有力兵团从微山湖以西迅速突然进攻，切断中国军队向徐州以西、西南的退路，华中派遣军将以2个师团的兵力积极予以配合，攻占徐州，围歼徐州附近的中国军队。第三阶段为巩固占领作战，以第2军占领兰封以东陇海路，确保占领区的安全。
