日军田野旅团被我临沂守军击败后，窜回莒县，敌又派来近卫师团一部援军，共约五千余人，配有较上次更多的飞机、大炮、坦克，以陆、空联合之势，卷土重来，气焰较前更为嚣张。三月二十五日，敌军逼近临沂，我军为了避免无谓的牺牲。在沂河东岸原阵地略加抵抗后，即将部队撤至沂河西岸既设阵地，与敌军隔河对峙。敌连日以飞机、大炮、坦克联合猛烈向我进攻，我军坚守阵地，屹然不动。敌以正面进攻未能得逞，乃以步、炮联合之敌千余人，进犯临沂城西之古城、南、北道、大岭、小岭等处。同时，有敌一部自蒙阴南下，袭占临沂西南三十余里之朱陈，威胁我之后背。我军因正面阵地全被摧毁，后方复受威胁，乃决定缩短战线，以第三十九师一一六旅副旅长崔玉海率领刘富生之二三一团，会同临沂专员张里元及其保安团，坚守临沂城，牵制敌人前进。其余部队，暂撤至临沂以南地区集结，军部移至临沂城南黄山至九曲店一线。

我军缩短战线后敌乃集中火力猛攻临沂城。激战一昼夜，临沂城西北面城墙终被敌炮火摧倒。敌一部冲进城内，与我守军巷战一日。四月十九日晚，我军因守城部队伤亡过重，后援不继，补给困难，遂放弃临沂城，撤至临沂南归还建制。是役，我刘富生团伤亡干余人，临沂保安团亦伤亡数百人。张里元专员率领保安团撤出临沂城后，转入山区，我军旋奉命调至沛县休整，并对微山湖警戒。