日軍第13師團占領棗陽後，各部隊仍按原計劃繼續進攻。
第3師團由信陽出發之第34聯隊，于5月10日擊退第一戰區第68軍第119師，占領桐柏，其他3路于8日突破守軍厲山一線的第二陣地後，于12日進至棗陽東北的西新集地區。
第16師團在擊退第59軍第180師的阻擊部隊後，由張集經棗陽之西迂回至棗陽以北的太平、湖河。
騎兵第4旅團于9日晚徒涉渡過唐河，10日拂曉徒涉渡過白河，中午攻占新野，遂即放棄、繼續東進，12日與第2集團軍第30軍激戰後，占領唐縣，不俟守軍反擊，又放棄唐縣，迅速南返至太平、湖河地區，與第16師團會合。
至此，日軍3個師團及騎兵旅團均在棗陽東北地區會合。
日軍第11軍司令官岡村甯次。
于當夜下達命令，令進攻部隊返回各自駐地，并規定在返回途中分段掃蕩第五戰區留在日軍後方的部隊，同時令第3師團以一部兵力據守随縣。
第五戰區左翼集團之第84軍于5月9日撤至吳山店，獲悉棗陽已為日軍占領，北進道路受阻，于是轉向南陽、方城間突圍，于20日到光化集結，第31集團軍于9日在桐柏以北的劉家河、江頭鎮地區與日軍第3師團激戰終日，傷亡頗重，當晚獲悉，信陽日軍已迫近桐柏，鐘祥日軍己占棗陽，10日又偵知棗陽以北日軍正向東北突進中，而桐柏已為日軍占領，并正向西進攻，第一戰區援軍尚未到來，遂決心于當晚向唐河轉進，留第23師及獨立第1、第2旅歸張轸軍長指揮，在桐柏山遊擊。
撤退途中，于11日得知唐河、新野已為日軍攻占，遂令各部經平氏，西新集間，轉向東北之泌陽轉移。
15日撤退至泌陽，蔣介石将其調至内鄉、鎮平。
右集團軍河東部隊連日襲擊日軍後方，先後在田家集、耗子崗等地側擊北進日軍；第132師一部切斷長壽店以南日軍交通；第55軍一部渡河向京鐘路遊擊；第67軍之1旅圍攻舊口，均有斬獲。
5月13日，李宗仁認為右集團軍牽制日軍北上的任務已經完成，令其“停止進攻，回保河西防務”。
河東各部隊遂先後退回河西。
在日軍進攻期間，江防軍和大别山的部隊，按照第五戰區的命令，頻頻出擊以牽制敵人。
第7軍一部曾于4月30日一度攻人麻城北門，5月4日圍殲日軍一小部于紅安以北的打油尖。
第2遊擊縱隊将夏店至花園間的交通，通訊徹底破壞，并與第3遊擊縱隊協同，于5月3日占領東莫店，擊退由廣水來援的日軍小部隊。
5月13日，14日，日軍第3，第13，第16師團及騎兵第4旅團，開始由棗陽地區分路南撤。
15日，其第13師團在茅茨畋、朱家集一帶，遭到留置大洪山的第39軍阻擊。
16日，日軍第3師團亦加入戰鬥。
激戰至18日，第39軍接到李宗仁17日發出的指示：“務避實擊虛，勿堅守一點。
”劉和鼎軍長遂令其第34、第56師，化整為零，分散進行遊擊。
17日後，日軍各部隊均返回駐地，除随縣為第3師團之一部隊占據外，恢複了會戰前的态勢。
此次會戰，據國民政府軍令部戰史會統計，中國軍隊傷亡及失蹤人員共2.8萬人，據日軍統計，日軍共傷亡2450人。
（第五戰區當時據各部隊戰鬥祥報統計，日軍損失約2萬人）。
随棗會戰，日軍沒有實現殲滅中國軍隊主力部隊的戰役企圖。
爾後，在第一次長沙會戰中又遭受挫折。
特别是中國軍隊發動的冬季攻勢，使突出在武漢地區的日軍深感威脅。
為了确保武漢和威脅重慶，日本大本營于1940年4月10日向中國派遣軍下達了以第11軍進攻宜昌的命令。
這時，岡材甯次已經調走，由關東軍第7師團長園部和一郎繼任第11軍司令官。
所屬部隊、亦己有所調整；共轄第3、第6、第40、第33、第34、第13、第39師團，獨立混成第14、第18旅團，臨時混成第101旅團及野戰重炮兵第6旅團。
其中，4個師團和1個旅團駐于江南，3個師團和2個