三月二日，我增援莒县之一一五旅摆脱敌人尾追后，沿沭河两岸撤至临沂东相公庄一带休整。此时敌军遂由莒县西南夏庄、黄庄，向我临沂前进阵地汤头逼进。自三月三日开始与我守军一一六旅二三二团接触，战况日趋紧张。敌机每日数次轰炸，大炮不停地以排炮射击，坦克掩护敌军向我阵地冲击，炮火异常猛烈。我军英勇战斗，不伯牺牲，战事持续了三、四日之久。后因我二三二团伤亡过重，乃令其放弃汤头，撤至后方整顿待命。

汤头撤守，太平、白塔吃紧，军部命令一一六旅二三一团坚守，拖住敌军主力。另由垛庄调回补充团，由葛沟以北抄袭敌之右侧背，由相公庄抽调一一五旅二二九团沿沭河东岸抄袭敌人左侧背。当二二九团第三营前进至铜佛官庄时，与敌相遇，展开激战。我第三营营长汪大章身先士卒，冲锋陷阵，致为敌击中，壮烈牺牲，其余官兵亦伤亡八十余人。敌军见我将其左右包围，被迫于三月六日放弃太平、白塔一带被占村庄，撤回汤头镇，我军遂收复汤头以南阵地。此役敌我各伤亡数百人。

敌军撤至汤头待援军到达后，又组织约五千人，配属大炮三十余门，坦克车二十余辆，于三月九日，在敌坂垣师团田野旅团长指挥下，向我军压来，企图强行通过我临沂防地向台儿庄进攻。先后占我沂河以东汤头以南沙岭子、白塔、太平、亭子头等村庄时，我军加紧部署，严阵以待，誓与临沂城共存亡。部署要旨如下：1.一一六旅二三一团及二三二团，配属山炮两门，为临沂正面防守部队，由李运通旅长为指挥官。2.以一一五旅（缺二二九团）为右翼防护部队，由朱家麟旅长为指挥官。3.以二二九团、补充团、特务营、工兵营为预备队，由李振清团长为指挥官。4.由三十九师师长马法五为前线总指挥。

这时，适接李宗仁电云：“临沂为台、徐屏障，必须坚决保卫，拒敌前进。除已令张自忠部前往增援外，并派本部参谋长徐祖诒前往就近指挥”等语。

敌田野旅团所部继续向我汤头、白塔等阵地进逼，十一日迫近我临沂正面诸葛城至郁九曲之线。飞机每日轮番轰炸，大炮不断轰击，我阵地大部被摧毁。二三一团副团长谷建瀛当被震昏於战壕内（曾上报谷已阵亡），官兵伤亡甚重。我仅有之两门山炮，在敌炮火压力下，始终未敢还击，只有敌步兵逼近时，当作迫击炮使用，尚能发挥一点效用。时敌坦克二十余辆向我阵地猛冲，我守军仅凭手榴弹阻击，炸毁坦克数辆，阵地屹立未动。庞炳勋迭请长官部派飞机助战，但临沂始终未见我一架飞机。

十一日下午，第五战区参谋长徐祖诒、第五十九军军长张自忠到达临沂，当即在第四十军军部召集庞、张两部高级人员开军事会议，决定对当前之敌反守为攻，采取正面坚守，两翼迂回，抄袭敌后，一举歼灭之战略。徐参谋长代表李宗仁发布命令，要旨如下：

（一）敌情判断：当前之敌系日军坂垣师团田野旅团之全部，附有重野炮三十余门，坦克二十余辆，并有飞机六、七架助战，企图陷我临沂，向台儿庄增援，目前尚无后续部队到达。

（二）我军意图：准备在临沂附近将当前之敌一举歼灭。

（三）部署要点：1.以第五十九军张自忠部，自诸葛城我军左翼向敌右后方作猛烈袭击，奏效后向汤头追击前进。2.以第四十军三十九师一一六旅附炮兵营（缺一个连）仍守诸葛城至郁九曲之线阵地，牵制敌军主力。3.以第四十军三十九师补充团及该师骑兵大连自郁九曲以南向敌军左后方猛烈袭击，在汤头与我张军会合。4.以第四十军三十九师一一五旅、工兵营及军属特务营为机动部队，由三十九师师长马法五指挥，随时策应各方。5.决定于三月十四日晨四时出动。

是日，张军首先克服白塔及亭子头。当敌人发现张军在其背后。乃集中兵力对付张军。庞军防守部队即乘机举行反攻，我李振清团当即在敌左侧背发起攻击，战况至为激烈，敌军腹背受敌，飞机、大炮、坦克均失去效用，从三月十四日起，经五昼夜激战，敌乃全线败退。我军乘胜跟踪追击至汤头，敌乃向莒县逃窜。同时庞部一一五旅亦将临沂城东南之残敌肃清。此役共计毙、伤敌人二千余人。清扫战场时，发现一架敌机的残骸，破损坦克六辆，日军尸体遍野。

临沂胜利消息传出后，曾得到蒋介石和李宗仁的传令嘉奖。《大公报》于一九三八年三月二十一日发表社论《临沂之捷》，高度评价临沂击败日军的政治意义和军事意义。

三月二十日，张自忠部奉令他调，离开临沂。庞炳勋部仍驻原地，整顿补充，加强防御，准备再战。