上一章正说到，张自忠、庞炳勋在临沂与日军作战取得重大胜利，得到蒋中正的嘉奖，但是日军仍然在想办法夺取临沂，临沂保卫战仍然在激烈地进行，张治中与庞炳勋两军面对的局势仍然还相当严峻。3月18日，张治中，庞炳勋两军从东，南，西三面夹击汤头，王疃，傅家池，草坡附近日军，经过两天激战，先后攻克李家五湖，辇沂庄，车庄，前湖崖，日军完全被击溃，残余日军大部分向莒县逃窜，一部分日军仍然在汤头固守待援。
3月21日，日军坂本支队在经过短时间整补且得知临沂分兵的情况后，又展开了攻势作战。此时第3军团兵力单薄，且又未经补充，在日军面前只能节节败退。至22日，第39师撤至临沂城东的桃园、蒋家山、石埠岭、黄山即设阵地；第38师114旅撤至临沂城北的石埠头、古城、小官庄一线。日军紧跟其后，始终与第3军团胶着。
第3军团军团长庞炳勋越过第5战区长官部直接给蒋中正发报：“职军苦战月余，伤亡甚众，官兵疲劳，临沂危急，请发援兵。”此时的59军已经在费县集结完毕，蒋中正在得到电报后，于23日9点左右向59军发报：“不必赴泗水、滕县，以整个军协力庞炳勋击灭临沂方向死灰复燃之敌。”于是张自忠的59军于24日返回临沂，与第3军团再度合力抗击坂本支队。
王肇治旅沿沂河追击日军，汤恩伯部骑兵团向艾山、义堂一带追击日军，国 军向日军发动全面的反 攻。
为了挽救危局，蒋中正于3月23日直接命令第59军：“不必向泗水，滕县分转兵力，仍应协力第40军迅速歼灭临沂北方之敌，以竞全功，而利大局为要。”
24日早上，张自忠将军又率领第59军到达临沂附近，并在韦家屯，桃园一带与日军展开激战。25日，为了解庞炳勋军团之围，59军黄维纲第38师发挥其夜战优势，用3个团的兵力夜袭桃园与三官庙，于第二天清晨一举克复桃园，并将三官庙的日军包围。
3月25日，独力抗击日军坂本支队的第3军团在桃园、三官庙的阵地又被日军占领，被迫退守九曲店一线。此时第59军的先头部队第180师在前进至临沂城北的毛家庄、北道附近时，与日军遭遇，第180师26旅旅长张宗衡少将亲自率领全旅官兵奋力冲杀，歼灭 日军一部200多人，日军残部向北退却。随后第180师乘势扩大战果，接连收复南北道、红埠寺、营子、盛庄、古城等地。第59军后续部队第38师于当天傍晚八点西渡沂河，向已占领桃园、三官庙的日军实施夜袭，一举收复桃园。
3月26日，日军以主力再次攻击桃园，第38师不能抵挡，损失极大，于黄昏时分被迫放弃桃园，撤到河西。同时在古城的部队也主动放弃阵地，收缩阵线，退守十里铺、前后岗头一线。临沂形势再度告急。庞炳勋军团长再次紧急向蒋中正发报说：“职军伤亡殆尽，总计战斗兵现不满千人”。在临沂坐镇指挥的第5战区参谋长徐祖诒中将也在此时向战区李宗仁长官发报：“庞军兵力损失过巨……已失战斗力，张军势力虽剩半数，而士气较前甚差，非有生援军，临沂难守，祈早决定”。
李宗仁上将此刻也意识到临沂局势的危险性，可是限于手头部队大都配置在台儿庄战场，无暇顾及临沂。经过仔细寻找，终于将到达战场不久的第111师333旅和坐镇向城的第13军骑兵团派往临沂增援。
到了26日，日军一部4000多人乘船渡过沂河向西运动；另一部约1个联队3000多人也到达临沂西北约15公里的义堂集一线，准备对强攻临沂城进行强攻。此时临沂面临日军强大部队的巨大压力，随时有被日军攻占的危险。
面对危险局势，张自忠将军急忙把主力部署在城西北的王家岔河、八里屯、小岭、古城一线阻击日军。庞炳勋部则固守沂河东岸的九曲店、石埠岭、黄山一线。此时第40军仅剩千余战斗兵员，基本丧失战斗力。在这种情况下，李宗仁急忙调缪澄流第57军王肇治第333旅，汤恩伯第20军团1个骑兵团驰援临沂。
3月27日，日军坂本支队集中主力猛攻第59军据守的古、南沙埠、小岭、北道阵地， 日军飞机对临沂进行反反复复地轰炸，同时用大炮进行猛烈轰炸。大炮轰炸之后，日军步兵以强大攻势向国 军阵地推进，先后占领了临沂外围的许多村镇。至28日日军又增加1000余人投入战斗。国 军59军官兵前仆后继，喋血奋战，与日军展开激烈的拉锯战。入夜后战况又趋白热化，第59军所部伤亡2000余人。张自忠电告战区李长官曰：“职一息尚存，决与敌奋战到底”。
战至3月29日早上7点左右，奉命增援的第111师333旅在旅长王肇治少将的率领下赶到了临沂城东。同一天下午，第13军骑兵团在团长李之山上校的率领亦抵达临沂城西。可是战区徐参谋长、庞军团长和张军长对于援军的到来仍旧不能松懈半口气，以这点兵力阻击日军坂本支队只能是杯水车薪。
正当日军很快就会攻陷临沂的紧急关头，坐镇临沂城内的战区参谋长徐祖诒和第3军团长庞炳勋两位将军却得到了日军开始撤退的情报。原来日军濑谷支队在台儿庄地区遭到第2集团军和第20军团的合围，战斗十分艰苦。日军第2军司令部紧急命令第5师团的坂本支队停止攻击临沂，以支队主力绕道直取台儿庄。支队长坂本少将除了留下2个大队作为牵制兵力并向后收缩后，以主力步炮6个大队直插临沂后方的向城。日军坂本支队主力南下后，向城受到了严重威胁。到了3月30日，台儿庄方面日军毫无进展，又抓不住与汤恩伯军团主力决战的机会。正在两难之间，第10师团长选择了不顾侧翼汤军团的威胁，先啃下台儿庄这块硬骨头。
从30日开始，濑谷支队主力南下，全部加入攻击台儿庄的战斗中。此时，濑谷支队的侧翼实际上已经完全暴露了。理论上，这是一个很好的战机。如果汤军团南下和台儿庄的西北军配合，正好可以前后夹击濑谷支队。也就是30日这天，意外出现了。汤军团派去增援临沂的13军骑兵团团长李之山上校，突然向汤恩伯报告：“临沂方向向台儿庄开来日军两千余，在飞机掩护下向向城进犯，本团无力反击，请注意侧翼安全。”
这是从哪里钻出来的一支日军呢？原来3月29日，台儿庄方面日军攻击毫无进展，连日本第2军司令部也看不下去了。他强行命令正在准备攻击临沂城的坂本支队立即停止攻击，南下救援濑谷支队。坂本支队长收到命令后，在临沂城下留下约2个步兵大队监视，率主力4个步兵大队和野炮2个大队为基干部队，全军南下，出现在汤恩伯部的侧翼。
第59军等部始终被坂本支队长留下的2个大队（由第5师团长板垣中将亲自指挥）牵制而无法南下。张自忠军长只能命令配属给他指挥的机动性强的第13军骑兵团先行回援，配合第89师在向城与日军作战。可是向城被坂本支队迅速攻占，导致了台儿庄地区的战斗情况发生了根本变化。不过在台儿庄的最终战果仍旧是中国 军队取得了胜利，并且迫使日军濑谷、坂本两个支队损失惨重，败退峄县。在台儿庄战役中，第3军团与第59军拖延了日军坂本支队的南下，所起的作用也是极为重要的。此外，这2支部队也在台儿庄战役中始终保证了临沂不被日军占领。
在临沂保卫战中，第四十军、第五十九军全体将士并肩浴血战斗，创造出打死打伤日军六千多人的光辉战绩，挫败了日军由津浦路和临沂两路夹击台儿庄的计划，奠定了台儿庄战役胜利的基础。
临沂之战，从3月3日至20日，历时18天。第五十九军歼灭 日军三千多人，庞炳勋部歼灭 日军一千多人。第五十九军伤亡4482人，其中军官199人。成建制战死者有第26旅第678团第2营，第113旅第226团第6连、第10连，第114旅第227团第12连。庞炳勋部第40军也伤亡不下3000人。
临沂一战，庞炳勋第三军团与张治中第五十九军共歼灭 日军四千多人，其中第五十九军歼灭 日军三千多人。有资料说，日军用载重汽车运回莒县的尸体达一百多车，在汤头、葛沟屡次焚化的尸体、来不及运回就地掩埋者达七八百具。中国 军队也付出了惨重的代价。
临沂胜利消息传出后，曾得到蒋中正和李宗仁的传令嘉奖。《大公报》于1938年3月16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。
临沂保卫战，张治中与庞炳勋两军共歼灭 日军三千多人，还打死日军第11联队长野裕一郎大佐，第3大队长牟田中佐。据日军战史记载：“以载重汽车运回莒县尸体约100余车……屡次焚化尸体，其不及运回，就此掩埋者达七八百具”。国 军伤亡5000以上，仅第59军就伤亡3482人。
