1938年3月9日，日军第5师团为配合津浦路正面第10师团作战，其坂本支队在休整及增配战车中队后，在飞机、大炮及战车的掩护下集中兵力，重新从汤头地域向临沂东北地区庞炳勋的第40军发起进攻。

守军虽然拼死抗击，但阵地仍不断被敌人突破。沂河以东、汤头以南的白塔、沙岭、太平、亭子头等处先后失守，第40军被压迫至临沂城郊地区。

早在日军刚攻占汤头时，李宗仁就已电令张自忠的第59军“即日由滕县输送到峄县转赴临沂，接庞（炳勋）任务，击破莒、沂方面之敌，恢复莒、沂两县而扼守之”。

此时，第59军正向临沂转进中。

李宗仁为了使庞炳勋军与张自忠军能更好地协同作战，特派战区参谋长徐祖诒代表战区司令长官去临沂指导作战。

并致电庞炳勋，大意为：

临沂为台儿庄及徐州屏障，必须坚决保卫，拒敌前进。除已令张自忠部来增援外，并派本部参谋长前往就近指挥。

庞炳勋接电后，立即重新调整部署，缩短战线，以第115旅（欠第229团）防守桃园至蒋家庄之线，以第116旅防守蒋家庄至黄山之线，以第229团、补充团及军、师直属队为总预备队，控制于临沂城关地区，以第89师师长马法五为前线总指挥。

3月11日，徐祖诒和张自忠率第59军从峄县紧急行军，于12日到达临沂城西地区，当日即召开作战会议。

徐州会战•临沂地区战斗经过要图（1938年3月16日—19日）

两位军长统一认识后，由徐祖诒以第五战区司令长官的名义于13日下达了作战命令：

“（1）第59军以一部确占石家屯一带高地，向葛沟、白塔间分途侧击，牵制敌人之增援；

主力由船流至大、小姜庄间渡河，向南旋回，与40军呼应，包围歼灭敌之主力于相公庄、东庄屯、亭子头以南地区。

在高里附近之陆战队暂归其指挥。

（2）第40军以主力由沂河东岸与59军呼应，包围敌之主力歼灭之；在沂河西岸之一部，渡河侧击尤家庄附近之敌。

（3）两军作战地境（略）。

（4）以上各部着于13日晚准备完，14日拂晓开始攻击。”

按照命令，第59军以第38师附野炮第1营为左翼，于13日16时出发，先以1个营占领茶叶山，掩护师主力在石家屯、刘家湖、钓鱼台地区向东展开；

第113旅、第112旅为第一攻击部队，进攻张家庄、白塔、沙岭一带敌人；第114旅为预备队，随师部位于刘家湖。

第180师（欠第81旅）附山炮第1营为右翼，13日16时30分出发，至前安静庄、大小妾庄地区向东展开；以第26旅担任第一线攻击部队，进攻徐太平、亭子头一带的敌人；第39旅为预备队，随师部位于中安静附近。军部在进攻开始时位于朱潘村。

第40军的第39师以第115旅与第59军协同，向尤家庄之敌侧击，以第117旅向东、西旺一带之敌进攻。

14日4时，第59军各部强渡沂河，开始进攻，第39师在河西的部队亦同时向当面之敌进攻。

第39师右翼第117旅进展顺利，击退当面之敌后进至东西旺庄、东西沙庄一线；其左翼第115旅战斗终日，没有进展。

第180师经激战后，于16时攻占亭子头，日军向北撤退。第180师跟踪追击，至15日，先后攻占徐太平、郭太平、大太平等六七个村庄。

第38师进攻沙岭，遇到敌人的坚强抗击，激战两昼夜，仍无进展。

1938年3月15日，临沂战役，侵华日军板垣师团反击突破沂河

16日拂晓前，日军增援兵力到达，转为反击，由沙岭从我军两个旅的结合部，渡过沂河，向第38师后方“崖头、刘家湖、苗家庄、钓鱼台之线猛攻，并以飞机十余架轰炸”，与第38师预备队第114旅激战于崖头、苗家庄地区，并攻占了船流、刘家湖。

张自忠根据当时的战况，迅速采取措施，调整部署：

一、第38师以有力的1个团加强茶叶山的防守，作为军的主要支撑点；

二、军部骑兵营由石家屯东渡沂河，向葛沟、汤头间出击，袭扰敌之后方；

三、进至河东的部队全部撤回河西，阻击渡至河西的敌人。

双方在刘家湖一带展开激烈的肉搏争夺战，“刘家湖失而复得者四次，崖头失而复得三次。茶叶山一度被敌占领，旋即夺回”。

至17日上午，第59军已伤亡6000余人，第一线作战部队的营长伤亡三分之一，连、排长已全部易人，但该部仍坚守阵地，顽强战斗。此时，日军因伤亡甚众，亦已无力发动强攻。

张自忠掌握战机，集中全力组织反击，于当日黄昏后，利用敌人得不到飞机支援而又不惯夜战的有利条件，向河西之敌发动进攻。激战竟夜，以逐屋争夺的肉搏战，将渡至河西的日军击歼近半。

在日军遗弃的尸体中，发现有第11联队联队长长野佐一郎大佐、第3大队大队长牟田中佐及第9中队中队长等多名军官。

又据在刘家湖所俘一等兵玉利陆夫交代，这次沂河两岸战斗，第5师团坂本支队伤亡约3000余人，日军大部退向莒县，一部退至汤头。

张自忠遂令第38师第114旅向汤头方向追击，停止于汤头以南李家五湖一线。其余部队除一部沿沂河西岸、茶叶山一带警戒外，全部集结到刘家湖一带休整。

沂河以东日军在其主力北撤后，亦向傅家池、草坡一带撤退，第39师进至书家庄（树沂庄）一线。

李宗仁根据庞炳勋18日24时所报关于临沂方面日军损失情况（报告日军“伤五千余，亡三千余”），他判断，日军暂时无力组织大规模的进攻，而19日峄县失守，津浦路正面形势紧张。

于是，他20日电令第59军留1个旅协同第40军防守临沂，主力转进“费县集结整顿后，乘虚向滕县南北地区，与由南阳镇附近渡河之第3集团军部队呼应，截击南下或北退之敌”。

随即，张自忠留第114旅归庞炳勋指挥，自率军主力于20日晚开始向费县转移。

22日，他又接到蒋介石电令，改令“以主力仍须与庞军团相协力肃清临沂当面残敌外，以约三至四个团经泗水进击曲阜方面，牵制敌人”，但是，此时军主力已离开临沂。

日军坂本支队退至汤头之线后重新集结，经短时间整顿及补充后，于29日又开始转为攻势。

第40军兵力单薄，又未能得到补充，在敌人进攻面前节节后退。至22日，撤至临沂城东桃园、蒋家山、石埠岭、黄山既设阵地；

第59军第114旅也撤至临沂城北石埠头、古城、小官庄之线。

日军跟踪追击，庞炳勋急电蒋介石：“职军苦战月余，伤亡甚众，官兵疲劳，临沂危急”，请发援兵。

但此时，第59军已集结于费县。蒋介石于23日9时，急电张自忠：

“不必赴泗水、滕县，以整个军协力庞炳勋击灭临沂方面死灰复燃之敌。”

于是，第59军遂于24日，返回临沂古城地区。

25日，庞炳勋第40军桃园、三官庙左翼阵地被日军突破，退守九曲店一带。第59军急从第38师抽调3个团，于当日20时西渡沂河，向已占领桃园、三官庙之敌实施夜袭，收复了桃园，但三官庙未能攻下。

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26日全天，沂河两岸均在激烈的反复争夺战斗之中。至黄昏时，第59军在桃园的3个团“出击受挫，复撤河西”；古城一带的部队在日军猛攻下，为“节约兵力”缩短战线，亦退至十里铺、前后岗头线，临沂形势又趋紧急。

庞炳勋电告蒋介石：“职军伤亡殆尽，总计战斗兵现不满千人。”

26日15时，徐祖诒亦电告李宗仁：“庞军兵力损失过巨……已失战斗力，张军实力虽剩半数，而士气较前甚差，非有生力援军，临沂难守，祈早决定。”

于是，李宗仁急调第57军第111师第333旅及第20军团骑兵团驰援。

27日拂晓开始，日军将主要进攻方向指向沂河以西的张自忠部，至28日夜，张自忠向李宗仁电告：

“战事激烈为前所未有……职军两日以来，伤亡两千人，连前此伤亡达万余人。职一息尚存，决与敌奋战到底。”

29日7时，我援军第333旅到达临沂城东，下午，第20军团的骑兵团亦到达临沂城西。

但此时，日军第2军“因濑谷支队（台儿庄）方面的战况吃紧，命令第5师团救援濑谷支队。于是，第5师团命令坂本支队暂时中止攻击沂州（临沂），去救援濑谷支队。坂本支队队长在临沂附近留下步兵约2个大队，主力从29日夜开始缩小战线，撤兵南下”。

所以，临沂形势有所缓和，3月30日，我守军发现日军“向北退却”，当即“令333旅沿沂河，骑兵团向艾山、义堂集一带追击”。

这时，日军第5师团师团长板垣征四郎在坂本支队西进后，于3月31日进至汤头，接着，又进至临沂西北的义堂集，指挥坂本支队留下的两个大队，将追击的中国军队阻止于汤头及义堂集以南，然后重新调整部署，增调部队，作再次进攻的准备。

虽然，临沂地区每日仍有战斗，但在日军发动大规模进攻前，形势相对稳定。

在临沂地区1个多月的战斗中，第59军及第40军共伤亡1万余人，日军第5师团伤亡约3000余人，并未能完成攻占临沂的任务。这是该师团侵入中国以来，继平型关受挫之后，遭到的第二次严重挫折。

3月17日、18日，日军第2军第10师团的濑谷支队先后攻占临城及滕县后，令步兵第63联队的第1大队（欠1个中队）继续沿津浦路南进，向韩庄追击；

为了控制枣庄煤矿，又令第63联队的第2大队向峄县追击。

3月19日，日军第63联队的第1、第2大队分别击退了刚刚赶至沙河及峄县布防的第20军团第85军第89师的第6旅及第4师的第23团，占领了韩庄、峄县。