淝水一战，日本鬼子吃了一个不大不小的亏，日军第十三师团一个旅团被五十九军消灭。南路日军，只有败退回淮河以南一线。北进受阻，在徐州会师的计划失败，日军本部不得不调整战略计划，改以北路日军为主攻。先以日军第五师为左翼，由青岛出发直下临沂，以第十师团为右翼，沿津浦路南下。这是第一步骤。第二步，两部合师台儿庄，然后攻占徐州。
鉴于津浦线北段形势紧张，李宗仁急电令五十九军北返滕县待命。
3月3日，张自忠率五十九军抵达滕县，正打算发兵袭击济宁、兖州、邹县之敌，忽于5日接战区徐祖诒参谋长电话，令他中止行动，准备开赴临沂，协同庞炳勋之第三军团，阻击日军第五师团。
张自忠五十九军调到第五战区，令他最为头痛的，就是他和庞炳勋这个冤家对头同在一个战区。
张自忠与庞炳勋结怨，还得从1930年蒋冯阎中原大战说起。
张自忠与庞炳勋，原来都在冯玉祥部下，同为西北军，两人原来是挺不错的朋友。在蒋冯阎大战中，庞炳勋见利忘义，受蒋收买，叛冯投蒋，并且带兵偷袭张自忠，使张自忠几遭不测。
从此张自忠认为庞炳勋不仁不义，因此不愿与庞共事。
庞炳勋虽号称军团长，实际只辖第四十军一个军（庞自兼军长），而第四十军实际上又只有第三十九师一个师，师下辖两个旅，每个旅2个团，加上军属的补充团也只有五个团，兵力一万人。装备中正式步枪8 000枝，手枪900枝。
3月3日，临沂战役打响，双方激战数日，庞部虽将日军阻住，但却伤亡近半，可战兵力不足三个团，形势危急，所以连连电请李宗仁派兵增援。
李宗仁此时除五十九军外，一时也无可派之兵，所以只好由李宗仁亲自出面给张自忠做工作了。
3月9日，李宗仁把张自忠请到战区长官邸。
张自忠来了后，李宗仁仍然很客气地请他坐下，然后对他说道：“荩忱兄，我这次请你来，有一要事相商。”
张自忠道：“李长官有何事，请加训示。”
李宗仁道：“临沂方面，庞炳勋第三军团在那里阻击日军，激战一周，虽将日寇阻住，但伤亡惨重，敌人援军源源不断增加，临沂已岌岌可危，如不增援，不但庞炳勋部会全军覆没，临沂亦将不保。目前战况，我战区除五十九军外，已调不出其他可增援之兵力。所以我请你来商议。你和庞炳勋有宿怨，我甚为了解，本不欲强人之所难。不过以前的内战，不论谁是谁非，皆为不名誉的私怨私仇。庞炳勋现在前方浴血奋战，乃属雪国耻，报国仇。我希望你以国家为重，受点委屈，捐弃前嫌。我命令你即率所部，往临沂以解庞炳勋部之危。希望荩忱兄你要绝对服从庞军团长指挥，切勿迟疑，致误戎机！”
张自忠很痛快地表示：“绝对服从命令，请长官放心！”
张自忠接受命令以后，回到军部，召集师旅长传达了李宗仁司令长官令五十九军驰援临沂，以解庞炳勋第三军团之危的命令。
刘振三听完命令后，当即跳了起来：“我不同意咱五十九军去给‘庞拐子’这个忘恩负义、不仁不义、恩将仇报的家伙解危。想当年，军长对他庞拐子怎么样，在固城，如果不是我们军长率部救他，他早就被曹士杰给杀了。他却恩将仇报，中原大战，他背叛冯先生不说，还偷袭咱们，军长差一点就被他害死。这种无情无义的人，救他干什么。救任何人都可以，救‘庞拐子’，我不去！”
庞炳勋当年恩将仇报的事，五十九军的师旅长们都清楚，所以大家都表示这道命令不能接受。
张自忠率领这支部队以来，还是第一次受到将士们的反对。
当然，他也理解大家的心情，大家对庞炳勋当年暗施冷箭的愤懑。他张自忠此前对庞炳勋何尝不是同他们这些师、旅长一般的心情哩。
这次，他没有训斥大家，而是十分严肃地对众人道：“你们反对我们五十九军去临沂增援，解救第三军团之危。老实讲，在这之前，我和你们的心情一样，庞炳勋是个无情无义的小人，不可与他共事，更谈不上去帮助他，支援他。不错，我对于庞炳勋，这些年来，一直耿耿于怀。想当年，他和我在西北军，交情不薄，亲如兄弟。在固城，他被曹士杰第十六混成旅所围，几乎为曹士杰所杀，我们救了他。后来，他背叛冯先生，暗中偷袭我，差点要了我张自忠的命。过去我一直认为，他庞炳勋恩将仇报，此仇不共戴天。但是，今天我为什么还要接受李长官的命令，答应率五十九军开赴临沂参战，去解救庞炳勋之危呢？不错，庞炳勋当年偷袭我们，这是不仁不义。但是，那次战争是为了什么？那是相互争权夺利的内战，是不名誉的内战。庞炳勋同我的怨仇，那是私仇、私怨。如今我们对日本侵略者的战争，那可是为国家、民族的存亡，为保卫人民、保卫国土而战。李长官说得好，这是雪国耻、报国仇呀！这是正义战争。我们军人的天职是什么？不就是保家卫国吗！庞炳勋为人的品德如何且不去管他，但他在目前坚决抗日，浴血奋战，在雪国耻，报国仇这一点上，却是做得非常之对的，是令人钦佩的。我们五十九军的敌人是日本鬼子，也是庞炳勋第三军团的敌人。日本鬼子是我们中国人的敌人，五十九军是中国人，庞炳勋和他的第三军团也是中国人。我们能够为了私仇私怨而放弃国家、民族的利益而不顾吗？那我张自忠、我们五十九军岂不成了国人唾骂的千古罪人！？三国时凌统与甘宁有杀父之仇，但后来两人却成了东吴的大将，为了共同对付曹兵，两人放弃私仇，尽捐前嫌，成为并肩战斗的兄弟。我们难道连古人都不如么！？所以我决定，放弃私怨，接受李长官的命令，率我五十九军，驰援临沂，解救友军第三军团之危。希望大家都能与我同心同德，不计私怨，共同杀敌。”
其他的人听了张自忠的一番话后均表示，服从命令，坚决杀敌。只有刘振三仍气呼呼地道：“我还是想不通。你们要去你们去，我不去。我不反对你们去救那个‘庞拐子’。我留在这里养几天病总可以吗？！”
张自忠笑笑：“育如（刘振三的字）既然病了，应当留下治疗。我希望你抓紧治疗，快点治好赶回部队来。慢了可赶不上杀鬼子哟！”
攻击临沂的是日军第五师团，是日本陆军中战斗力最强的四个师团之一（注：其余三个师团为近卫师团及第一、第三师团），号称日本“铁军”。该师团辖两个旅团，第九旅团（旅团长国崎登）和第二十一旅团（旅团长坂本顺）共四个步兵团，另有师团直辖的骑兵团、工兵团、野炮兵团、辎重兵团各一个，总兵力2.5万人，战马7600匹，拥有一流装备。师团长为板垣征四郎。此人恰巧是张自忠相识的原日本关东军参谋长。
板垣征四郎，1885年生于日本岩手县，毕业于日本陆军士官学校第16期，20年代他就到中国进行特务活动，与多田骏、梅津美治郎、土肥原贤二、矶谷廉介并称日本陆军少壮派五大“中国通”。1928年，他参与系策划“皇姑屯事件”炸死奉军统帅张作霖；1931年又与石原莞尔策划了震惊中外“九·一八”事变，可算是双手沾满中国人民鲜血的老牌日寇刽子手。他还曾以关东军参谋长身份，于1936年出席过张自忠时任天津市长的宴会。
这两个当年外交上的对手，今天在战场上相逢，要进行一场你死我活的殊死决斗。
临沂是旧沂州府治，位于沂河与祊河汇流处，倚山带水，是鲁南军事重镇，徐州东北的屏障，为第五战区右翼的重要据点，为陇海、津浦、胶济三大铁路安危所系，更是日军西进会师台儿庄的必经之路。其得失对全局影响颇大。因此日军势在必得。
在临沂，板垣遭到庞炳勋的坚决抵抗。3月9日，坂垣将第一线攻击部队增至5 000余人，并派第二十一旅团旅团长坂本顺少将赴第一线督战，再次向庞炳勋部发起了强大攻势，攻下汤头、沙岭子、白塔、太平、停子头等村庄，临沂城已危若累卵。
10日夜，五十九军调集2.5万人迅速由滕县、官桥等地向峄县（今峄城）集结。11日，由峄县出发，以强行军沿台（儿庄）潍（县）公路向临沂方向快速前进。
李宗仁担心张、庞之间隔阂未消，难于合作，特派参谋长徐祖诒同行，以战区司令长官名义协调二人之间关系。
徐祖诒字燕谋，江苏无锡人，毕业于保定军官学校，后又留学日本陆军士官学校和陆军大学，具有较深的军事修养。抗战爆发前曾任军令部第一厅（作战）厅长，筹划作战事宜，声誉颇著，被白崇禧誉为“不可多得的幕僚长。”
国民党中央通讯社得知大军向临沂开拔，料定必有大战，派记者胡定芬随徐前往。他们在峄县与张自忠相逢了。
徐祖诒和张自忠握手。徐对张说道：“李长官为了使这一仗能够打好，特命兄弟代表战区司令长官来协助五十九军与第三军团联合作战。”
张自忠道：“欢迎，欢迎。李长官如此重视临沂之战，有徐参谋长前来坐镇指挥，我们对这一战的必胜信念更增强了。”
胡定芬同张自忠是老朋友了。张自忠和他握手道：“欢迎老弟这位大记者，希望你能好好报道一下我们五十九军是如何英勇抗击日本鬼子的事迹。”
胡定芬道：“那是自然。我相信五十九军在大哥的指挥下，一定能大获全胜，会涌现出许多可歌可泣的英雄事迹。小弟会把它如实地报道给国人的。”
张自忠很高兴，把副军长李文田、参谋长张克侠、交际处长李炘等一一介绍给大家，还破例地同众人谈了他在平津时期及出访日本的一些趣闻。大家听得十分有味。
从峄县出发，3月时节，正值初春，雨雪交加，路上泥泞不堪。全军官兵冒着雨雪艰苦行军，士气仍然十分激昂。
11日，大军行至抱犊崮镇，山东省第三区专员公署秘书兼峄县代理县长李同伟等人在此迎候。张自忠得知沿台潍公路到临沂有90公里，而抄近道只有七八十里，便请李派10名向导带部队抄近道强行军奔赴临沂。
当天夜里，五十九军三十八师先遣部队已到达临沂。12日下午，全军主力在临沂西郊集结，从峄县到临沂相距90公里，五十九军只用了一个昼夜便赶到了。
正在与日军作拼死战斗的第三军团官兵，听说增援的五十九军大部队已赶到，阵地上顿时欢声雷动，士气大振。
张自忠将部队集结在城西大岭、砚台岭、白衣庄一带，即同李文田、张克侠、黄维纲等高级将领前往临沂城南关师范学校第三军团临时指挥部见庞炳勋。
庞炳勋这几天心中老是惴惴不安，因为他得到战区通知，战区将派张自忠五十九军前来增援他。他知道自己当年曾严重伤害了这位老弟，老弟对他一直耿耿于怀不能谅解。这次他能应命前来么？如果张自忠仍然记着前嫌而不来，那自己这点“本钱”就将在这次同日本人较量中彻底输光。所以这几天他是睡不安枕，食不甘味，昼夜难安，度日如年呀！
当他得知张自忠的部队已赶到临沂城郊，他算放心了一半，但还有一半放不下。张自忠虽然率部到了，能够和他同心努力杀敌吗？张自忠会不会各行其是，或者在上级命令下不得不虚应故事呢？
现在得报说张自忠已率五十九军高级将领亲自前来见他、共商歼敌之策时，他赶快出来迎接。
他看见张自忠满身泥泞领着一大群人大步流星地向他走来，心中高悬的一块石头才算落地。他赶快一瘸一拐地迎了上去。
两人走拢了，面对而视，他从张自忠的眼里，看到的是友好和善而不是怨恨。张自忠默默不语地向他伸出手来。他赶快伸出手去，迎向张自忠那只大手，紧紧地把它抓住，生怕这只手会突然消失，生怕眼前这个高大的身影会突然消失，那只是一个梦。但那不是梦，也不是幻象，他抓住的，是一只实实在在、温暖有力的大手。
两只手握在一起，四目相对两人的脸上绽出了笑容，随之而来的是爆发出一阵爽朗的大笑。几年来的积怨，在这一笑中冰释泯没。
双方的人也都笑了，而徐祖诒更是发出了会心的笑。
庞炳勋感动莫名，心中愧疚一时难以启齿，只说了一句：“荩忱老弟，愚兄谢谢你！……”便说不下去了。
张自忠望着庞炳勋那憔悴的脸色，鬓边的白发使他更增几分苍老，怜悯之心更添几分：“我们现在是同仇敌忾的弟兄嘛！”
庞炳勋又和徐祖诒握手，和五十九军的将领们握手，说来大家都是熟人，是用不着相互介绍的。
战况紧急，没有多的寒暄，张、庞两军旅以上将领和高级参谋人员，当即召开了联席会议。
张、庞两军旅以上将领会议，商讨对日军的作战计划。会议由徐祖诒参谋长主持。
徐祖诒道：“第三军团已和日军交手多日，对于敌我双方情况及形势等都已十分熟悉。为了两军能更好配合，打好这一仗，我想先请庞军团长介绍一下情况，并提出一个初步的作战方案，大家再共同商讨修正如何？”
庞炳勋当下便首先发言道：“攻击临沂与我军对垒的日军第五师团，在日军中素有‘铁军’之谓，是日军战斗力最强的一个师团，师团长是前关东军参谋长板垣征四郎。这个师团据我们了解，总兵力2.5万人，装备在日军也是最为精良的。我军团以劣势装备与劣势兵力与之相对抗，从3月3日以来，经过十昼夜的苦战，全军将士上下用命，总算把敌人阻住，未能越雷池一步，保住了临沂未失。由于我军与敌接战日久，师劳兵疲，伤亡过半。为固城防起见，目下宜以五十九军接替城防，我部则沿沂河两岸戒备，待敌进犯时，咱们合力破敌，不让板垣越雷池半步。弟等意下如何？”
徐祖诒转向张自忠：“荩忱兄，你的意见如何？”
张自忠胸有成竹地站起身来道：“军团长的主张是可以考虑的。不过，依我之见，与其坐等敌攻我，不如我主动出击攻敌，在城外采取野战之策，攻其侧背，以解临沂之围。我部愿承担主攻，贵军可以配合出击。”
五十九军参谋长张克侠支持张自忠的意见。他说：“我认为论兵力我们比敌人多，这是我们惟一的有利条件，但就战斗力及武器装备而言，我们则远不如敌。况临沂城不过弹丸之地，以大部队猬集其中，以图固守，等于自缚手足，等待挨打。现在敌人有数量众多的火炮和强大的空军，还装备有现代化的坦克和装甲部队，摧毁城池并非难事。不但固守不可能，且伤亡必众。”
张克侠看了徐祖诒及庞炳勋一眼，接着说道：“因此，我认为张军长的意见是对的，以五十九军在城外野战，向攻城之敌侧背猛烈攻击，利用夜战近战手段，争取出奇制胜。在野战部队开始攻击后，守城部队应派出有力部队，实行强袭，以为协同。这样不但可以扬我之长，而且可以攻敌之短。不知庞军团长以为可否？”
庞炳勋道：“荩忱和树棠二位老弟的这个主张，当然比我所提要积极主动得多。我的那个意见是被动的，而这个意见是主动的，变我们挨打为我们主动打敌人。我主要担心的是五十九军强行军赶来，疲劳尚未恢复，而我们伤亡过大，战斗力已不强之故。”
张自忠道：“五十九军这一昼夜急行军90公里，还不至于被拖垮，只要有一天休息，当没问题，所以我们还是应主动出击，打击敌人为上策。”
坐在张自忠身边的马法五师长问道：“那么张军长打算什么时候开始攻击？”
张自忠略一沉吟，回答道：“至于攻击时间，在一般情况下，我军以强行军到此，不能说不疲劳，似宜稍事休息，再与敌作战；但兵贵神速，且我以劣势装备对现代化之强敌，必须出敌不意，利用近战、夜战方可奏效。所以应打破常规，尽量及早行动。”
徐祖诒很赞成张自忠的意见，其他将领也表示赞同，并商定14日拂晓发起攻击。
会议结束时，徐祖诒作为战区参谋长，以战区司令长官名义下达攻击命令：
一、第五十九军，应以一部先占领茶叶山高地，为左翼据点，向葛沟、白塔间分途侧击，以牵制该敌向南增援；以主力由船流至大、小姜庄间分途渡河，向南迂回，与第四十军呼应，包围敌之主力于相公庄、东庄屯、停子头以南地区而歼灭之。
二、第四十军应以主力在沂河左（东）岸与第五十九军呼应反攻，包围歼灭敌之主力；一部在沂河右（西）岸连系，与第五十九军之右翼渡河部队，侧击尤家庄附近之敌。
13日，张自忠召开营以上军官作战前动员。当他问及各部还有何困难，一八○师一个军官风趣地说：“军长，临沂这一仗咱们可有四难呀！”
“ 哪四难？你说说。”
“一难友军是冤家，二难对手太强大，三难师长不在队，四难补给真叫差。”
张自忠一听，笑着道：“你说的不错，不过这四难也难不倒咱五十九军。这一难嘛，不管怎么样，友军是冤家也要合作，冤家宜解不宜结嘛。更何况公私要分别，我们以德化之就是了。这二难，日军第五师团确实是日军的‘王牌”，可咱们五十九军也不赖嘛。敌人再强大也不要怕，他那师团长板垣征四郎，我同他打过交道，我可以不客气地说，我张自忠不怕他！五十九军的军长不怕日军第五师团的师团长，我不信，五十九军的官兵反到过来会怕日军第五师团的官兵了！五十九军的官兵都是孬种吗？（下面高声回答：“不是！”）对，不是孬种，凭什么会怕他们呢！这第三难么，刘师长还得你们派人去接一下，跟他说清楚，再怠命闹情绪，我就要军法从事了。至于第四难，因为咱们的补给仍由第一集团军转拨，先前领的一点淮河作战就用光了，又不便向上开口，的确有困难，不过大家放心，可以暂向临沂的士绅们借一点。没有钱照样打仗，还要打胜仗！只要咱们发扬近战、夜战的长处，就一定能够打垮板垣，为中国军队争气，为中华民族争光！日本人不是嘲笑咱们中国人有文德，没有武德，女人死节者多，而男子捐躯者少吗？这一回，咱们该让鬼子瞧瞧啦！”
动员会还没有结束，一个身材壮实的军人走了进来，向张自忠立正敬了一个军礼：“报告军长，一八○师师长刘振三归队向你报到。”
张自忠还了一个军礼：“你‘病’好了？想通了？”
刘振三道：“报告军长，我病好了，但还没有想通。”
“没想通你怎么来了？”
“没想通归没想通。可咱五十九军到临沂来是打鬼子的。一八○师全来打鬼子了，我刘振三可不是孬种，咋会不来打日本鬼子呢！我这个当师长的可不能给一八○师抹黑呀！再说咱五十九军没有一个孬种，刘振三可不能给军长给五十九军抹黑呀！我来晚了，你们都把鬼子杀光了，嘿嘿，我杀啥！？”
张自忠心里在暗笑，可脸却绷得紧紧的：“好吧，我正告诉你们师的人，去‘抓’你归队哩。我告诉他们，你再不归队，就要军法从事。你既然赶来了，那你归队吧！要是这一仗你刘振三给我装了熊，看我不扒了你的皮！”
“是！”刘振三敬了个礼，“俺刘振三的皮不会让你扒掉的。”
当时，除临沂正面之敌外，汤头有敌人的兵站；柳树头、沙岭子有敌人，数目不详；大太平、小太平、李家太平、许家太平，共有敌人数百名；停子头有敌人200余名，陈家太平有敌人数百名，停子头至临沂东关外附近村庄都有敌人，数目不详。
一一四旅旅长董升堂建议说：“现在敌人在临沂城与庞军作战，我军不宜参加临沂城的战斗，应采取古人‘围魏救赵’的战术，直捣敌后方策应源头汤头镇，使敌人腹背受敌，临沂之围自解。”
他们计划向敌人发动攻击，却不料敌人倒先动手了。
13日，日军第二集团军司令官西尾寿造命令第十师出击大运河以北的中国军队，第五师迅速攻占临沂，尔后进至峄县附近，以策应第十师作战。因此，板垣加紧了攻势。
张自忠正召集全军营以上军官部署作战方案，突闻东方传来剧烈炮声。日军已由余村方向向庞军炮击，随后步兵在炮火掩护下发起猛攻，庞军难以抵挡，日军逐渐向临沂接近。
张自忠立即命令各级指挥官回营准备。
如何应付目前的局面，张自忠与参谋长张克侠紧急商量后，与庞炳勋接通电话。张自忠道：“庞军团长，我就不直接增派援军了。贵军可以徐徐后撤，诱敌深入。这样日军的右侧翼就暴露在五十九军的正面，对我们是有利的。”
庞炳勋采纳了张自忠的意见，一边抵抗，一边徐徐退却。
当晚，日军先头部队已进至芝麻墩、兰墩和宋家埠一带，距临沂城仅三公里。
13日下午，胡定芬及《扫荡报》记者张剑心、《武汉日报》记者李君齐到五十九军军部采访。话题自然离不开眼前这场大战。
张自忠兴致勃勃地对他们说：“很感谢你们到前线来。部队上知道有新闻记者在前线，都很紧张。这比中央派来督战官的效果还来得重大呢！”
记者们请他预测战役的胜负。张自忠很坦率地回答：“这次攻击是成功，还是失败，现在没有把握。板垣的部队实力很强，不过我将尽全力去做，以求良心之所安。”
吃过晚饭，张自忠催促三位记者离开：“这里明天就要打仗，你们赶紧回临沂城去。”
张自忠的表情很严肃、悲戚，突然冒出一句：“我希望这次在沂河战死！”
这话使三个记者很吃惊。尤其是胡定芬，这已是短短一个月中他第二次听见张自忠说“死”了。
大家都只能在心里为张自忠祈祷平安。
经过紧张部署，到13日午夜，五十九军各旅都已进入阵地，具体部署为：
三十八师（缺一一四旅）为左翼，沿角沂庄、曲坊、白沙埠、朱潘、余粮、小安子等村展开，攻击目标左起汤坊涯、白塔，右至沙岭子一线；一八○师为右翼，展开于宋王庄、北十里堡、谢家宅、邵双湖一线，左接三十八师沙岭子，右至柳杭头，攻击目标为停子头、郭太平、徐太平。全军正面攻击战线达十余公里。
三十八师一一四旅配置于刘家湖附近，担任军预备队。
军部设于距临沂城东六公里的南曲坊村。
14日凌晨3时左右，左翼三十八师经船流、朱家棚，右翼一八○师由诸葛城、大小姜村，同时偷渡宽百余米、水深及膝的沂河，悄悄地抢占了东河岸。4时正，五十九军左右两翼分数路向日军右侧背发起了雷霆万钧的攻击。
左翼三十八师，是五十九军的主力，承担着主攻任务。其中李致远的一一三旅主力向汤坊涯、董家官庄的敌人发起进攻，同时以一个营抢占郝沂宅子及茶叶山高地，掩护师的主攻；李金镇的一一二旅为主攻部队，全力攻击日军沙岭子主阵地，并与一八○师取得联系。经过勇猛冲杀，三十八师一举攻占张家庄、解家庄和白塔村。但板垣第五师团毕竟不愧为日军精锐，他们反应十分迅速，立即停止了向庞炳勋部的攻击，调集主力部队和几乎全部飞机、坦克向五十九军发动凶猛反击。双方展开大混战。你来我往几个回合，三十八师伤亡惨重，被迫放弃刚刚夺来的阵地，退回沂河西岸。
张自忠十分震怒，当即下达手令，将作战不力的一一二旅旅长李金镇撤职，令新兵团团长李九思升任旅长，并令其准备再次渡河向敌攻击。
右翼一八○师，以张宗衡的独立第二十六旅为主攻部队，其中崔振伦第六七八团主攻停子头、张方海第六七六团对柳杭头之敌实施警戒。独立第三十九旅祁光远部为师预备队。
战斗发起后，六七八团秘密接近停子头，然后从西、北两侧直插村中，与敌展开肉搏战。顿时村中杀声震天，火光四起。我军虽遭很大伤亡，仍高声喊杀，与敌逐房逐院争夺，战况空前惨烈。激战到午后4时，守敌700余人被我消灭过半。残敌无力抵挡我猛烈进攻，只好向停子头以北的郭太平、王太平和徐太平逃窜。六七八团乘胜追击，日军利用民房顽抗，并派200多名日军赶来增援。
张宗衡旅长令六七六团团长张文海率两个营冲杀上来，增强了攻势。15日，一八○师收复了徐太平、王太平和郭太平，并就地构筑了工事，与敌人展开对攻。
张自忠到一八○师督战。
退回河西的三十八师稍事整顿后，14日下午再次渡河向日寇发起攻击。
为增强攻击力量，张自忠还令一八○师六七八团调回沂河西岸，加入反攻行动。
三十八师一一三旅渡河以后，以迅速的攻势，攻克了汤坊涯。一一二旅则对日军坚固阵地沙岭子再度发起强攻。紧靠沂河东岸的沙岭子村很大，房屋分散，日军沿河构筑了许多据点。村的正西方是一片沙滩，一一二旅无法隐蔽接近敌人。但官兵们不顾一切发起冲锋，与守敌展开殊死争夺。从朝至暮，伤亡官兵五六百人，仍未取得进展，配属一一二旅作战的一一三旅二二六团第六连官兵全部战死，村前的沙滩上，尸首堆积成丘，河水变赤。
由于日军腹背受敌，集中主力对付生力军的五十九军，四十军正面日军兵力大减。庞炳勋抓住时机，以主力向日军侧背发起攻击，居然获得一定战果，14日夜占领独树头、相公庄。15日，一一五旅攻占黄家庄、柳杭头以南一线。第一一七旅进到西沙庄、郑家寨子一线。
15日夜，阵地上沉寂下来。谁也没有料到，这是敌人的阴谋，诡计多端的板垣此时正在策划一个以攻对攻的行动。他调主力4 000人，由沙岭子以北三十八师两个旅的结合部偷渡沂河，占领了毛官庄对面的河西渡口。然后在十几架飞机的配合下，突然对五十九军后方的崖头、刘家湖、苗家庄、钓鱼台一线发动猛攻。五十九军后方留守部队寡不敌众，奋力抵抗，但苗家庄、钓鱼台还是被敌人所攻占。张自忠急调三十八师主力撤回沂河西岸打击日军。
尽管五十九军攻击不够顺利，但他们浴血奋战仍予日寇以沉重打击。从缴获的日军信件、日记中得知，经两日夜激战，日军伤亡惨重，搬运伤兵之人车持续不断。
16日晨，渡河西犯的日军，已增至5 000余人，并出动飞机20多架，坦克十多辆及步兵炮、野战炮40多门，向刘家湖、茶叶山、船流、郝沂宅子发动大规模进攻。河西我军兵力薄弱，处境十分严峻。
守卫刘家湖的二二六团第十连以寡敌众，拼死奋战，全连殉国。
张自忠根据战局变化，立即将兵力作了调整：以三十八师一个主力团固守茶叶山、郝沂宅子高地，阻击河东进犯之敌，不惜牺牲，坚守茶叶山高地，以为军的后方支持点；驻石家屯的军属骑兵营，协同该地步兵，由新河村进击河东，袭扰敌之后背，牵制日军兵力；三十八师留河东部队全部撤回，以加强茶叶山沿河阵地的防御；军总预备队一一四旅投入刘家湖、茶叶山作战；其余部队均集结于余粮村、小安子以南地区阻止敌人继续西犯。
一八○师攻占的河东村庄全部放弃，将兵力撤回河西。其中独立三十九旅祁光远部，以第七一五团刘照华部占领诸葛城，用火力严密封锁苗家庄的敌人，使其不能再向外扩展；第七一七团艾明纲部守卫诸葛城以东的洪福寺，以火力侧击钓鱼台、苗家庄的敌人，并占领沿河阵地，以防沙岭子之敌再渡河西犯；独立第二十六旅集结于邵双湖以北，随时准备策应三十八师同刘家湖方面之敌作战。
军部驻朱潘，三十八师师部驻小安子，一八○师师部驻邵双湖，无命令不准后撤。
五十九军调整完毕后，战事重心转到河西，敌我双方在这里展开了战役打响以来最为惨烈的战斗。茶叶山、刘家湖战斗尤为激烈，阵地几次失而复得形成拉锯。钓鱼台、崖头、石家屯、苗家庄也成为争夺之焦点。
一一三旅二二六团在刘家湖村外与敌争夺了一天。黄昏时分，日军突入村内，占领了村东，我军仍据守村西。入夜，张自忠又令二二七团投入战斗，双方往来冲杀，激战通宵，村中积尸数百具，战至天明，仍各占其半。
茶叶山的争夺战更是激烈。固守茶叶山的三十八师二二五团第七连，面对数倍于己的敌人，前仆后继，殊死战斗，直至全部壮烈牺牲。16日上午，茶叶山失守。
日军占领茶叶山后，在山下构筑了防御工事，派一个加强连驻守。茶叶山半山腰有一座小庙，山顶有一个大碉堡，形成易守难攻的防御结构。二二七团于黄昏后向高地发起攻击。团长杨干三命炮兵集中轰击小庙和山顶，先将敌人火力钳制住，同时命令步兵向山脚之日军发起猛攻，攻克第一道防线后，命令炮火集中轰山顶，趁机歼灭半山小庙之敌。二二七团采用这种层层推进法终于将茶叶山夺回。但该团在立足未稳之际，日军突然猛烈反扑，茶叶山得而复失。
张自忠下令暂时放弃该阵地，将二二七团转用于刘家湖方面。
鉴于日军河东部队不断经由大、小苗家庄增援河西，对三十八师威胁很大。张自忠命独立二十六旅将该敌消灭。
张宗衡旅长亲赴诸葛城督战，指挥七一五团（由独立三十九旅配属该旅）向大、小苗家庄进攻。该团分三路向敌迂回接近，16日中午12时发起冲锋，激战20分钟，将日军阵地突破，冲入村内与敌肉搏，一个小时后终于占领大苗家庄，将日军压缩于小苗家庄及沂河岸边。
经过三昼夜的浴血战斗，五十九军伤亡约3 500人。鉴于五十九军损失过重，徐祖诒建议张自忠撤出战斗，转往郯城休整。张自忠杀得性起，不肯撤退。此举颇出徐祖诒的意外。因为据他所知，许多将领，尤其是非嫡系部队，稍有伤亡即要求退出战场，或要求增派援军，还未见到令其撤离却反而要求再战者。他为五战区有这样责任心强的将领而高兴，对张自忠的不畏强敌而钦佩。他立即报告李宗仁，李宗仁复电同意张自忠所请。
当天夜里，张自忠召集团以上军官开会。他说：“我军伤亡很大，敌人伤亡也大。敌我双方都在苦撑，战争的胜负，决定于谁能坚持最后五分钟。既然我们已同敌人干上了，而且干到现在这种境地，我们就要用精神和血肉拼命和敌人干到底。争取一个像样的结局！”
大家都支持张自忠的意见，纷纷求战。
张自忠就17日的作战部署下达命令：
一、3月17日，军师所有山炮、野炮、重迫击炮全部推进到两师第一线，带上所有炮弹，听候第一线指挥官命令，在黄昏前，将全部炮弹倾向敌阵；
二、军部仍在原地，由副军长李文田指挥；
三、三十八师黄维纲师长带领预备队，到刘家湖第一线指挥部队，限令黄昏前将所有炮弹发射完毕，然后规定好夜战暗号，命令一线部队一齐出击；
四、一八○师刘振三师长和祁光远旅长亲到诸葛城一线指挥，将所有炮弹发射完后，即令第七一五团向小苗庄之敌攻击；
五、独立二十六旅张宗衡旅长率全旅在刘家湖、苗家庄之间及时策应两师作战。
从这个命令来看，张自忠已下决心全力与敌一决。
16日夜战打响。五十九军趁夜间向盘踞在刘家湖、茶叶山、凤仪官庄、小苗家庄、船流、大太平、沙岭子等十多个村庄的日军展开了猛烈攻击。
三十八师由一一四旅担任主攻，一一二旅、一一三旅策应。一一四旅以刘文修之二二八团为主攻。战前，张自忠对董升堂和刘文修说：“我命令你们把茶叶山、刘家湖拿下来，否则军法无情！”
董、刘二人当场立下军令状：“拿不下茶叶山、刘家湖。决不回来见军长！”
夜10时，二二八团向茶叶山发起攻击。第二营营长冉德明率领全营在炮火及轻重机枪掩护下，成纵队向高地突击；第三营营长陆文龙则指挥全营抄击日军左侧背。在战斗最为激烈时，刘团长为鼓舞士气，派人给每人分发100元钞票。官兵们杀红了眼，喊道：“我们命都不要了，拿钱有何用！”纷纷将钞票撕得粉碎，抛向空中。激战至17日凌晨，担任二二八团预备队的刘同福第一营及一一二旅之二二三、二二四团也加入战斗，官兵前仆后继，拼死猛攻，日军伤亡惨重不支，残敌被迫向白塔方向逃窜，我军完全控制了茶叶山阵地。
16日夜，二二七团对刘家湖发起攻击。团长杨干三先派一个侦察排潜入村内，破坏交通，袭击敌指挥部。当侦察排摸入村内时，日军熟睡正酣毫无所觉，侦察排悄无声息地收拾了游动哨，然后在几个路口设置了障碍。午夜12时，侦察排与村外主力部队里应外合，信号发出同时向敌猛袭。日军梦中惊醒仓皇应战，乱成一团，被我击毙过百，残敌退入村北炮楼负隅顽抗。黄维纲又调二二五团投入战斗。刘文修集中两团兵力向敌人猛扑，将日军压缩到村西北角的一个大院里。到17日夜，敌大部被我手榴弹炸死，小股残敌逃往汤头。日军弃尸400多具。
茶叶山、刘家湖歼灭日军1 000余人。我军也伤亡1 500余人，其中连排长40多人，二二八团三位营长，一死二伤。第二营营长冉德明，原为张自忠卫队连连长，这次在战斗中，英勇顽强，壮烈牺牲。
一八○师也在16日深夜对敌发起猛攻。攻击小苗家庄的的七一五团刘照华部，以第一、三营担任主攻，第二营为预备队。攻击开始后，在村外遇到日军抵抗，双方展开激战。我军官兵奋勇冲杀，在士气上压倒敌人。敌人退到村中，与我军逐屋争夺，战斗十分惨烈。战到午夜，敌军不支而溃逃，村内遗尸200多具。
与此同时，一八○师还渡河克复了沙岭子、大太平，并乘胜向北追击。17日，敌军集中兵力反扑大太平，被一八○师击退。下午3时日军再次反扑，并曾攻入大太平，被二二八团团附陈芳芝率两个连击退。这时独立三十九旅七一五团乘胜出击，又将大太平北面的几个村子收复。
至此，张、庞两军将进犯临沂的日军第五师团三个团击溃，残敌向莒县方向逃窜，一部向汤头溃退。
17日11时，蒋介石从武昌发电李宗仁、张自忠、庞炳勋，嘉勉临沂大捷。电报说：“临沂捷报频传，殊甚嘉慰。仍希督励所部，确切协同，包围敌人于战场附近而歼灭之。如敌脱逸，须跟踪猛追，开作战以来歼敌之新纪录，籍振国军之气势，有厚望焉。”
此后，冯玉祥、李宗仁、白崇禧、宋哲元、鹿钟麟、熊斌、秦德纯、张之江、徐永昌等人纷纷致电张自忠祝贺。
临沂之捷，五十九军将领，深受鼓舞。
张自忠在已取得胜利的基础上，18日下令五十九军第三次东渡沂河，分兵两路向敌发起追击。其中，三十八师以一部占领辇沂庄、东庄一线对北警戒，主力攻击汤头及西北；一八○师以一部攻击汤佛堐，主力攻击汤头镇以南之敌。
与此同时，庞炳勋部向傅家草池、山东庄、贾家官庄一带之敌发起攻击。
到19日，三十八师已攻占了沂河东岸及汤头以北的东庄、前湖和袁家庄。一八○师攻占了汤头以南的日军坚固据点李家五湖。战斗中，我先头部队独立第二十六旅六七八团第二营，遭遇日军增援部队猛烈反扑，赵宏远营长指挥官兵浴血抗击，毫不退让，全部壮烈牺牲。我增援部队赶到，发起猛攻，终将该敌歼灭，克复李家五湖。
同一天，庞炳勋部北进至书家庄一线，并以一部向北迂回贾家官庄日军后方，至此，汤头日军坂本支队已被我军包围，成为瓮中之鳖。这时若五战区能以一部生力军投入，与张、庞两部合力，可全歼坂本支队。但李宗仁错误地令五十九军除一一二旅外，即调费县，准备向泗水、滕县转用，使坂本死里逃生，实在可惜。
到21日，第一次临沂之战结束。
这次临沂之战，张、庞两军共歼敌5 000余人，其中五十九军歼敌约4 000人。日军第五师团第九旅团第十一团团长野佑一郎、第三营营长牟田等数十名军官被五十九军击毙，死伤军官总计多达200余人。其中第十一团第三营被三十八师一一四旅全歼。许多日军尸体来不及运回、烧毁、掩埋。战场上受伤的战马、击毁的坦克、汽车，散落的弹药、衣物、食品、信件及太阳旗、千人缝等物品，到处皆是。从五十九军缴获的战利品中，还发现板垣征四郎本人的呢大衣和印章，可见这位日本“铁军”统帅仓皇逃跑时如漏网之鱼，丧家之犬，狼狈不堪。
五十九军虽然获得胜利，也付出了惨重的代价，据统计从14日至19日，三十八师共有36名军官阵亡，80人负伤，士兵阵亡680人，负伤1 057人；一八○师军官阵亡29人，负伤54人，士兵阵亡341人，负伤1 195人，总计全军共伤亡4 482人，成建制战死者计有独立二十六旅六七八团第二营、一一三旅二二六团第六连、第十连、一一四旅二二七团第十二连。
临沂之战，斩断了北路日军的左臂，粉碎了敌板垣、矶谷两师团会师台儿庄的计划，造成矶谷师团孤军深入为我围歼的契机，从而为台儿庄大捷拉开了序幕。
临沂大捷，大大鼓舞了全国军民的信心。1938年3月21日《大公报》就临沂大捷发表社评指出：“八一三以来，我们军队得到世界不少的赞扬。”“但在去冬，大家自信心还不够，虽勇敢牺牲，只能拼命，而不容易胜利。这些观念，到现在确实推翻了。这就是临沂胜利的最大收获。”“板垣是日阀少壮派的领袖，是关东军的灵魂，是中国最凶猛的敌人。但此次战争，我们确实把他击破击走，消灭其劲旅几千。”这说明：“我们只要有决心，只要运用得力，尽可能消灭敌军的精锐，换言之，火力纵然悬殊，但依然可以消灭他，可以打胜他……。我们并不铺张这一胜利的效果，但确实相信这次胜利，更增加了全国将士的自信心。有了这次胜利，就可能有无数胜利。”