李宗仁很感激龐炳勳言而有信，一麵去電鼓勵，一麵急調在淮河駐防的張自忠部增援臨沂，支援龐部。當時隨軍在徐州一帶觀戰的中外記者與友邦武官不下數十人，大家都想不到一支“最優秀”的“皇軍”竟受挫於名不見經傳的“雜牌部隊”。日軍不斷調兵遣將，加強攻擊，臨沂守軍漸感不支，連電告急。此時李宗仁得到來自上海的諜報員夏文運的密電，得知日軍北線動而南線不動，於是命令守衛淮河的張自忠部增援臨沂。張自忠接到命令後率部星夜增援，於3月10日黃昏到達臨沂郊外。翌晨，當敵軍攻城正急之時，張自忠先與守城部隊取得聯係，約定時間向敵人展開全麵反攻。臨沂守軍見援軍已到，士氣大振，開始出擊。兩軍內外夾攻，如疾風暴雨。阪垣師團不支，倉皇撤退。龐、張兩部合力窮追一晝夜。敵軍無法立足，一退90餘裏，縮入莒縣城內，據城死守。沿途敵軍遺屍甚多，器械彈藥損失很大。
龐、張兩部精誠合作，取得了台兒莊大戰前的序幕戰——臨沂阻擊戰的勝利。此戰將阪垣、磯穀兩師團擬在台兒莊會師的計劃徹底粉碎，造成日後台兒莊血戰時，磯穀師團孤軍深入，為我軍圍殲創造了契機。
臨沂之捷，張自忠所部奮勇赴戰，功不可沒。其中也有張自忠為了感激李宗仁的知遇之恩。
張自忠所部也屬“雜牌軍”。張自忠原為宋哲元第二十九軍中的師長，後由宋氏保薦中央，委任為北平市長。七七事變前，敵人一意使華北特殊化，張以北平市長身份，奉宋氏密令與日本方麵秘密談判。外界不明真相，誤以為張自忠是賣國求榮的漢奸。北平被日軍圍困後，張自忠脫逃到南京請罪，一時有被軍法懲處之危。
李宗仁到南京後，向張自忠舊部調查，得知事情原委，便通過何應欽向蔣介石通融，為張自忠剖白。李宗仁向蔣介石進言說：“張自忠是一員忠誠的戰將，絕不是想當漢奸的人。現在他的部隊尚全師在豫，中央應該讓他回去帶他的部隊。聽說有人想瓜分他的部隊，如中央留張不放，他的部隊又不接受瓜分，結果受激成變，真去當漢奸，那就糟了。我的意思，倒不如放他回去，戴罪圖功。”
蔣介石沉思片刻說：“好吧，讓他回去！”說畢，立刻拿起筆來，批了一個條子，要張自忠即刻回至本軍中，並編入第一戰區戰鬥序列。隨後兵力有所擴充。
1938年2月初，淮河前線吃緊，軍令部將張自忠所部調到第五戰區增援。張自忠接到調令後大喜過望，因為李宗仁有保他的淵源，他頗想到第五戰區出點力。3月，淮南日軍主力被迫南撤，淮河北岸軍情已經緩和。此時，龐炳勳在臨沂被圍請援，而李宗仁已無兵可調，參謀長徐祖貽頗感為難。李宗仁便將張自忠請來，對他誠懇地說：“你和龐炳勳有宿怨，我甚為了解，頗不欲強人所難。不過以前的內戰，不論誰是誰非，皆為不名譽的私怨私仇。龐炳勳現在前方浴血奮戰，乃屬雪國恥，報國仇，希望你摒棄前嫌。我今命令你即率所部，去臨沂作戰。你務要協同龐軍團長。切勿遲疑貽誤戰機！”張自忠很爽快地回答說：“服從長官命令，請您放心！”
李宗仁即令張自忠集合部隊，親向官兵訓話鼓勵一番。該部星夜增援臨沂，於3月13日晨同龐炳勳部隊裏應外合大戰板垣師團，打了一個驚天動地的勝仗。從此，龐炳勳、張自忠二人竟成莫逆，為抗戰勝利做出了積極的貢獻。
川軍千裏赴魯 日寇攻克滕縣
臨沂戰鬥正酣時，日軍磯穀師團沿津浦路南下，從鄒縣直逼距離台兒莊50公裏的滕縣城，以重兵向滕縣外圍一線陣地發起猛攻。緊要關頭，我方另一部援軍——鄧錫侯第二十二集團軍從鄭州趕來增援。
鄧錫侯部原駐成都，士兵所用的槍械多半為土造，簡陋低劣。他奉統帥部令，率部出川，前往第二戰區參加山西保衛戰。
鄧部到達山西時，太原已經失守。日軍用機動性快速部隊向我軍左衝右突。鄧部立足未穩便被衝散，隨大軍狼狽後退。沿途遇有晉軍的軍械庫，該部便破門而入，擅自補給。第二戰區司令長官閻錫山得知後大為震怒，大罵其為“抗日不足，擾民有餘”的“土匪軍”，並致電統帥部將鄧部他調。統帥部接此難題後向蔣介石彙報。蔣介石聞報很生氣，想把鄧部調到第一戰區程潛那裏去。軍委會致電程潛告知此事，並說出原委，程潛在電話裏一口回絕。當軍令部次長林蔚將程潛回絕的消息報告蔣介石並請示辦法時，蔣介石正因南京初失，情緒不好，聞報勃然大怒，說：“把他們調回去，讓他們回到四川去稱王稱帝吧！”白崇禧在一旁聽著，便勸解道：“讓我要電話到徐州，問問五戰區李長官要不要？”隨即撥通長途電話問李宗仁。此時正值韓複榘不戰而退、李宗仁無援兵可調之時，他便立刻告訴白崇禧：“好得很啊！好得很啊！我現在正需要兵，請趕快把他們調到徐州來！鄧部就這樣被調到第五戰區了。
李宗仁與鄧錫侯及其副手孫震此前雖曾通過信，但在徐州還是第一次見麵。李宗仁以禮相待，把兩人敬為上賓。鄧、孫對李宗仁個人的曆史很了解，如今加入李宗仁的戰鬥序列，頗為心悅誠服。當李宗仁問他們有什麼需要、有沒有困難要解決時，兩人異口同聲說：“槍械太壞，子彈太少。”李宗仁立刻電呈軍委會，要求撥給鄧部新槍500支。後又從第五戰區庫存中撥出大批子彈及迫擊炮，交與補充，官兵歡天喜地。
3月中旬，日軍磯穀師團另附騎兵旅、野炮團、重炮營和戰車數十輛，自濟南循津浦鐵路南進，李宗仁遂調鄧部前往鄒縣、滕縣一帶防堵。鄧部出發前，李宗仁親臨訓話，舉出諸葛亮統兵北抗司馬懿的英勇故事，希望大家效法先賢，不惜重大犧牲，阻敵南下，完成作戰任務。鄧部到達滕縣後，知鄒縣已失，第二十二集團軍代理總司令孫震派第四十一軍王銘章的第一二二師守衛滕縣城，第一二四師在城外策應。
3月14日，日軍以快速部隊南侵，將滕縣包圍，並以重炮及坦克猛攻縣城。日軍久攻不克，傷亡慘重，被迫改變戰術，從一線陣地側翼迂回向滕縣城進攻。3月15日晚，日軍用炮火猛攻的同時，以飛機進行掃射、轟炸，複以十多輛坦克掩護步兵衝鋒。中國守軍拚死抵抗，師長王銘章親自督戰死守，血戰三晝夜，守城士兵與敵反複肉搏，死傷慘重。團長王麟、參謀長趙渭賓、師長王銘章等指揮部隊在巷戰中英勇犧牲，縣長周侗棄城而逃。3月18日中午，日軍攻克滕縣城，守城官兵全師殉城，無一投降。
滕縣保衛戰自3月14日早晨開始，至18日中午結束，共4天半時間。在這座不到10平方公裏的小城裏，日軍先後投入火炮100多門、坦克50多輛、飛機30多架。中國軍隊以裝備低劣的7000兵力與裝備精良的日軍上萬之眾激戰，不畏犧牲，給予日軍精銳磯穀師團重大殺傷，為調集軍隊部署台兒莊大戰贏得了時間。
王銘章犧牲後，舉國上下頌揚他抗戰救國的英勇精神。蔣介石為其題寫了“民族光榮”的挽聯，並致電李宗仁：“王故師長銘章力戰殉國，達成任務。緬懷壯烈，悼惜殊深。”並追封其上將軍銜。毛澤東也題寫了挽聯：“奮戰守孤城，誓死如歸，是革命軍人本色；決心殲強敵，以身殉國，為中華民族爭光。”周恩來、朱德、彭德懷、葉劍英也分別題聯悼念。
李宗仁在其回憶錄中回顧這一段曆史時感慨地說：“臨沂、滕縣兩役，都是台兒莊大捷前最光輝的序幕戰。但是這兩項艱苦的血戰，卻都是由一向被中央歧視的‘雜牌部隊’打出來的。這些‘雜牌部隊’在其他場合，往往畏縮不前，但是到了五戰區，卻一個個都成了生龍活虎，一時傳為美談。”
引敵入台兒莊 浴血抗戰到底
位於徐州東北約45公裏的台兒莊是一個有著城牆、較為繁華的小市鎮。大運河緊沿城牆向東南流去，城內有12條街道、4裏長的大車路，5000多戶人家、2萬多間房屋。
日軍磯穀師團占領滕縣後，驕狂至極，不惜冒孤軍深入的兵家大忌，盡其所有，直撲台兒莊。
當臨沂和滕縣於3月中旬同時告急時，蔣介石倉促調第一戰區駐河南補充訓練尚未完成的湯恩伯第二十軍團和孫連仲第二集團軍星夜增援。首先抵達徐州的湯恩伯軍團，下轄關麟征第五十二軍和王仲廉第八十一軍，共計5個師。該軍團裝備齊全，並配屬德製重炮一營，為國軍中的精銳部隊。