李振清團繳獲的汽車，由於公路被破壞，無法開回臨沂。部隊發動沿途的百姓，把汽車用人力抬回臨沂。大家認為這是旗開得勝的好征兆，請軍部的秘書王信孚，立刻在繳獲的日本軍車上寫下一行字：補充團攻蒙陰虜獲日軍之裝甲車。軍部當時設在臨沂師範，汽車就擺在臨沂師範門口展覽，參觀的人擁擠不堪，頗為轟動。
龐炳勳把衛隊派上前線，身邊隻留下兩名通訊兵。
李振清團在蒙陰打了勝仗的時候，臨沂正麵戰場吃緊，日軍即將逼近中國軍隊的主陣地。軍部命令補充團立刻返回臨沂增援。
日軍阪本支隊於3月5日占領湯頭，並準備向臨沂進攻。
中國軍隊退出湯頭之後，太平和白塔吃緊。軍部命令第一一六旅第二三一團堅守，拖住日軍主力。另由垛莊調回補充團，從葛溝以北抄襲日軍的右側背，由相公莊抽調朱家麟旅邵恩三團沿沭河東岸抄襲日軍左側背。
邵恩三團第二營前進到銅佛官莊時，與日軍相遇，展開激戰。營長汪大章身先士卒，衝鋒陷陣，被日軍火力擊中，壯烈犧牲。其餘官兵也傷亡八十多人。
日軍受到中國軍隊兩麵包圍，被迫於3月6日放棄太平和白塔一帶他們所占領的村莊，撤回湯頭鎮。中國軍隊收複了湯頭以南的陣地。這一仗，中日雙方各傷亡幾百人。
日軍撤回湯頭待援。阪本支隊在經過整補後，人數達到約五千人，配屬大炮三十多門，坦克二十多輛。3月9日，日軍在飛機、大炮和坦克的掩護下，集中兵力，從湯頭向臨沂東北地區的龐炳勳軍發起進攻。
李振清命令王景洲第二連在前沿陣地葛溝阻擊日軍，掩護主力部隊和友軍的集結。李振清說：“臨沂葛溝這次戰鬥，勝負至為重要，一定要有與陣地共存亡的決心，不惜犧牲，殲滅日軍！”全連官兵表示，寧願戰死沙場，也不當亡國奴。
王景洲連左翼有沂河依托，為了阻擊南下的日軍，在台兒莊至濰縣的公路附近和村莊的四周構築了防禦工事，堆積了沙袋，借土堆院牆做掩護，做好了戰鬥準備。當時，守軍從裝備上與日軍相比是十分懸殊的，王景洲連沒有附屬一門炮，隻有六挺捷克式輕機槍，步槍是漢陽造，還有最陳舊的套筒槍，每個士兵都背著一把大砍刀。
3月9日下午1點左右，步兵、騎兵和炮兵相結合的日軍三百多人，向王景洲連陣地發起猛烈攻擊。王景洲連沉著應戰，抵抗到下午5點。日軍未能得逞，暫時退了下去。黃昏後，日軍步兵一百多人再次發起攻擊。王景洲命令部隊將日軍放進有效射程，下令還擊，手榴彈的爆炸聲和槍聲響成一片。日軍受到王景洲連的側擊，無法立足，馬上潰退。
第二天早晨8點，六架日軍飛機分兩組輪番在守軍上空攻擊，從右向左來回盤旋幾周後，接二連三俯衝，投下一批炸彈，在守軍陣地附近爆炸。接著，日軍炮兵開始發炮。守軍掩蔽在戰壕裏，仰頭就能看清日機飛行員的麵目。對日軍肆無忌憚的凶暴情景，守軍官兵個個氣得咬牙切齒。排長李宗岱一把拖過一等兵陳占彪的步槍，對著飛機喊道：“對空射擊組的弟兄們，打！”這時右翼守軍陣地也傳來密集的機槍聲，日軍飛機在守軍交叉火力的打擊下，驚慌地朝著東北方向飛去。
日軍的炮火連續向守軍陣地轟擊了十多分鍾，村頭的大樹，有的被炮彈攔腰折斷了。場上的麥秸垛高粱秸秈子也燃起了大火，瓦礫泥屑沙石漫天飛射，士兵傷亡了七八名，三排長劉洪祥右腳被炸斷。全連官兵看到這些情景，怒火填膺。被硝煙熏花了臉的戰士們，穿著已露出棉花的灰軍裝，有的手臂包紮了繃帶，有的頭上纏著紗布，全神貫注地端著槍，透過硝煙迷霧，警惕地監視著陣地前方。
日軍的炮轟停止以後，急促的馬蹄聲由遠而近，日軍的騎兵奔馳而來。王景洲一聲大喊：“目標，正前方敵人騎兵，瞄準馬頭，打！”話音剛落，機槍步槍吐著長長的火舌，密集射向衝在陣地前麵的日本騎兵。李宗岱壓抑著心中的憤怒，瞄準目標，一扣扳機，擊中首當其衝的一名日軍騎兵，大洋馬一聲長嘶，兩蹄騰空，把日本兵摔落在地上。日本兵還沒來得及翻身，李宗岱又連補兩槍，結果了他的性命。在守軍火力的壓製下，日軍騎兵被迫在彈雨中奪路逃竄。
日軍騎兵潰退後，不到十五分鍾，日軍炮兵又開始轟擊守軍陣地。日軍炮兵在兩門山炮的掩護下，向守軍陣地接近。守軍官兵臨危不懼，沉著應戰，一麵加強工事，一麵集中火力封鎖陣地前沿要點，迫使日軍不敢貿然向守軍陣地前進。
對峙到下午3點，三架日軍飛機飛來，對守軍陣地狂轟濫炸。接著，日軍步兵對王景洲連第一排的陣地猛烈進攻。守軍奮勇還擊，雙方傷亡慘重。王景洲指揮狙擊組向日軍衝擊，左臂負傷，仍繼續作戰，使日軍不敢前進。日軍炮兵向守軍狙擊組陣地襲擊，但仍未得逞。王景洲在這次戰鬥中陣亡，李振清任命大排長李玉亭為連長。
守軍雖然拚死抗擊，但陣地仍不斷被日軍突破。沂河以東、湯頭以南的白塔、沙嶺子、太平、亭子頭等村莊，先後失守，日軍已直逼臨沂，古城危在旦夕。
第四十軍被壓迫到臨沂城郊地區。為了頂住日軍的瘋狂進攻，龐炳勳緊急調整了作戰部署，命令第一一六旅守衛正麵，朱家麟第一一五旅為右翼，邵恩三團和特務團為總預備隊，並命令各部死守陣地。正在城東沂河對岸據守橋頭堡的部隊，便是那個曾被軍政部下令要遣散的特務團。
11日這一天，日軍逼近臨沂正麵諸葛城至鬱九曲一線，飛機輪番轟炸，大炮不斷轟擊，守軍陣地大部分被摧毀。第二三一團副團長穀建瀛被震昏在戰壕內，官兵傷亡嚴重。守軍隻有兩門山炮，在日軍炮火的壓製下，始終未敢還擊。隻是在日軍步兵逼近時，當作迫擊炮使用，還能發揮一點作用。日軍二十輛坦克向守軍陣地衝鋒，守軍隻能用手榴彈阻擊，炸毀了幾輛坦克，陣地屹立未動。龐炳勳請戰區長官部派飛機助戰，但臨沂始終未見一架中國的飛機。
這一天淩晨，李玉亭第二連的陣地受到日軍的第五次進攻。日軍首先向守軍陣地炮轟一小時左右，接著以三輛裝甲車為前導，後邊跟著兩百多名步兵，向守軍陣地撲來。李玉亭連置日軍炮火於不顧，以大無畏的精神，激戰兩小時，打退了日軍的進攻。
這一天，龐炳勳不僅將自己的衛隊送入了第一線，而且讓馬夫、夥夫、擔架兵、運輸兵和文書也都投入戰鬥，身邊隻留了幾名貼身衛士和傳令兵。幾天來的戰鬥，是他三十八年的戎馬生涯中第一次下這樣徹底的決心。為了保衛臨沂，他準備把自己的老命連同五個步兵團這點老本全部拚光，絕不保存實力，似乎隻有這樣，他的良心才能得到安寧。
龐炳勳軍和日軍爭奪滕家官莊傅家池草坡，失而複得，寸土必爭，形成拉鋸戰。汪大章營長以下官兵兩百多人壯烈犧牲。李振清團陣地被日軍攻陷，潘鴻文營長在垛莊陣亡。第四十軍損失慘重，退守臨沂近郊，固守三官廟九曲店陣地。李振清團警衛營在城東沂河東岸構築橋頭陣地，與臨沂城僅一水之隔。前線距軍部所在的臨沂師範不過三裏，龐炳勳指揮部隊背城戰鬥。
日軍的大炮又響了，是從城外東北角傳來的，像一陣驟雨那樣地密。機關槍的聲音變得更急，好像千軍萬馬在狂奔。成群結隊的飛機，仍在瘋狂地俯衝、投彈，使陣地上成為一片火海。爆炸聲越來越近，甚至連日軍飛機上掃射的子彈，也不時飛到了司令部的院子裏。但是，龐炳勳仍然一動不動地佇立著，目不轉睛地凝視著前方。
防空洞離他隻有幾十步遠。
他的貼身衛士哀求道：“老總，還是先到防空洞裏躲一躲吧！”
“躲什麼?”龐炳勳見四個貼身衛士仍在盯著他，把兩眼一瞪，叱責起來：“你們都給我過河作戰去，一個也不要跟在我這裏!”龐炳勳指著戰火紛飛的沂河對岸。
衛士們一聽龐炳勳這麼說，一個個麵麵相覷。不是他們怕死，而是擔心他們一走，龐炳勳有個三長兩短。
“怎麼？怕死嗎？”龐炳勳怒喝道，“誰要是當孬種，我先斃了他！”
“老總，你一定要多多保重!”四個衛士見龐炳勳的手上確已無兵可調，隻好一齊跪了下來，行了“壯別禮”：“我們走後，望老總千萬千萬要注意個人安危啊!”
“我的安危並不重要，臨沂的安危比我的安危重要得多！臨沂一失，我絕無臉麵回去見李長官，你們明白嗎？”說到這兒，龐炳勳仰頭長歎：“我年將六十，一腿尚瘸，毫無牽掛，能參加保衛國家的抗日戰爭，是生而有幸啊！如果能在中國複興史上增添光輝燦爛的一頁，固然是我們的願望；即使把我們壯烈犧牲的事跡在亡國史上寫上一行，也算對得起祖宗啊!”說完，龐炳勳把衛士們一個個拉起來，送出了門去。
四個貼身衛士抹著眼淚，頭也不回地跑出了司令部，勇猛地衝過了沂河橋，投入了堅守橋頭堡的戰鬥。龐炳勳見後，悲壯地一笑，把一把雪亮的大刀放在桌上，準備在最後一刻使用。
激烈的戰鬥還在進行，在荒涼的沂河東岸打得難解難分。日軍的攻勢更為猛烈了，傷殘的士兵被一批又一批地抬了下來。龐炳勳的四個貼身衛士中，已有兩名壯烈犧牲，還有一名也被打斷了右腿。日軍的炮彈已經可以直接打到沂河裏，運送傷員的老百姓，不時被日軍炮彈擊中身亡。
“臨沂萬分危急了，我該怎麼辦呢?……”龐炳勳猶豫著，拚著自己的智慧和心力，在焦急地尋找出路。他幾次拿起桌上的電話筒，想給李宗仁打電話，請求他速派援兵。但是，每次他隻是把那電話筒緊緊地握了一陣，又總是默默地放到了電話機上。他明白，眼下川軍孫震集團軍正在與磯穀師團浴血奮戰，津浦線南段的桂軍和東北軍也正在淮南與北上的日軍廝殺，第五戰區的兵力不夠用，李長官此時實在是難以抽出援兵啊！而他最怕的則是被人們誤認為他保存實力，不肯死戰。因此，他咬緊牙關，苦苦地撐持著，就像一個力不從心的人，肩頭硬頂著一座搖搖欲墜的橋梁。從外表上看，他平靜如常，但內心裏卻急得如同滾油澆心！
正在此刻，前線總指揮馬法五從東門外打來了電話急報：“敵人的進攻太猛烈了，正麵部隊有些頂不住了，你看怎麼辦呢?”
“頂住！給我死死地頂住！”
龐炳勳大吼一聲，正要放下電話，馬法五又喊叫起來：“軍團長，軍團長，你能不能多少給我調一點兵？”
“調什麼兵？到哪裏調？現在司令部裏除了我之外，還剩下了三名傳令兵！”
“我……我這裏已經沒人了！”
“什麼，沒人啦？沒人了怎麼還有人給我打電話？”龐炳勳控製不住自己了，一下子暴怒起來：“沒人了你自己上，丟了陣地別回來見我！”吼完，他把話筒狠狠地摔在了電話機座上。
龐炳勳的參謀長走了進來，待龐炳勳息怒後，走近他身旁，用不大的聲音說：“軍團長，日軍已占領河對岸的東部製高點，山上一個營的弟兄們已全部陣亡。”
龐炳勳一驚，站了起來，旋即又坐下了，長歎一聲：“看來，參謀長，這一次我們是真的完了？”
參謀長沒回答他的問話，兩眼眨了眨，鼓足勇氣建議：“軍團長，我看與其在這裏等死，不如把剩餘的人馬拉出去，脫離戰場往西撤，也許還有一線生機。”
“撤？”龐炳勳狠狠地瞪了參謀長一眼，一口回絕：“不行！我今天撤下去，明天蔣委員長就會砍我的腦袋。再說，我身為將官，若不以死報國，對不起臨沂的父老鄉親啊！”
參謀長默默無語，低著頭，紅著臉，站在一邊。
龐炳勳沉思良久，緩緩地對參謀長說：“我現在沒別的選擇了，隻有戰死在臨沂。參謀長，趁現在還來得及，你趕快走吧，帶上我的妻兒老小一齊走，把這裏的情況向徐州李長官稟報一下。”
“軍團長！”參謀長臉色蒼白，嘴唇哆嗦著。
“走吧，去吧！”龐炳勳向他揮了揮手，無力地閉上了眼睛。
參謀長淒然淚下，久久不忍離去。
此刻的龐炳勳深知大勢已去，做好了必死的準備。
張自忠軍一晝夜行軍九十公裏，解救龐炳勳軍團的危難。
3月11日下午5點左右，日軍又向李玉亭連的陣地發起第六次攻擊。營長得到報告，率領第三連的一個排前來增援。日軍陣勢浩大，情況十分危急。李宗岱向營長建議，由他帶領一支敢死隊，利用陣地左側的地形，趁朦朧夜色，迂回到日軍中間，出其不意地攔腰來個奇襲，配合正麵守軍的戰鬥，將日軍一舉消滅。營長同意了他的建議。
李宗岱對官兵們大喊：“弟兄們！為國盡忠的時候到了，不怕死的跟我來！”一名河北籍的士兵，外號叫二虎，長得膀大腰圓，頭一個站起來響應。接著應聲而起的不下五十人。李宗岱從他們當中挑選了精悍強壯的二十人，每人腰上掖著四五枚手榴彈，手執一把雪亮的大刀。在規定了聯絡暗號等事項後，趁著守軍陣地吸引著日軍的時候，從村子的西北角，利用地形地物的掩蔽，敏捷地開始行動，前進到遠離守軍陣地約有一千多米的小山坡下，又沿著凹窪部地形向日軍方麵繼續躍進。
這時，隱約聽到山坡東側方有嚓嚓的鐵鍁聲傳來。李宗岱心中一愣，心想：難道日軍也來偷襲？他馬上用發現敵情的聯絡暗號，通知弟兄們隱蔽。接著，他很快地仔細偵察了周圍地形，判斷可能有日軍在構築工事，便帶著兩名士兵繞到山那邊去。他們發現坡下有一條羊腸小道，便順著小路方向了望，果然看見有簇簇的黑影在晃動。側身聽去，沒有其他聲響，隻是雙方還在陣地上進行著戰鬥。
李宗岱轉過身子，發出聯絡信號，敢死隊的士兵們無聲無息地向坡上匍匐前進。李宗岱領著兩名士兵在前麵，潛摸到距日軍大約十米的地方，看見兩名日軍正揮著小鍬和十字鎬，吭哧吭哧地在挖機槍掩體。一挺歪把子機槍撂在旁邊，另外還有兩箱子彈。
為了不失戰機，李宗岱決定先奪機槍。他把腰上掖的手榴彈分給跟在他身邊的二班長挎著，右手抽出背上的大砍刀，一個箭步，舉臂揮刀，朝著背對他挖坑的一個日本兵猛砍下去。日本兵頭向左一歪，哇呀一聲，撲通倒臥在地，他的右胳膊被劈斷了。旁邊的另一個日本兵嚇得大叫一聲，被緊跟著李宗岱的上士班長王世忠奮力一刀，紮進了腹部。李宗岱順手把歪把子機槍奪到了手裏。
忽然，李宗岱看見前坡有四個戴著亮晃晃鋼盔的黑影，朝著他們這邊走來。那是四名日軍。其中一個發現有情況，連忙開槍朝李宗岱他們射擊。李宗岱等人連忙臥倒。清脆的槍聲，挾著一束火光，劃破了沉寂的夜空。左側陣地上的日軍，一時槍聲四起。李宗岱身邊的一班長右臂一揮，向日軍投擲了兩顆手榴彈，爆炸聲一響，二十名敢死隊的勇士像猛虎出山一般，揚起大刀，直撲過去。幾名日軍驚慌失措，丟下背包、標杆、器材和彈藥等等，掉頭向左側方的陣地逃跑。
李宗岱的敢死隊乘此機會，尾隨著日軍朝他們的隊伍衝去，與日軍展開了白刃戰。日軍猝不及防，亂成一團，趕緊上起刺刀，與敢死隊拚殺。敢死隊乘勢奮勇砍殺，雖然人少，卻都是學過武術的小夥子，會耍刀弄槍，混雜在日軍中間，揮舞著雪亮的大刀，如砍瓜切菜，十分得心應手。在刀比槍快的刹那間，日軍隻要碰著，不死就傷。
經過幾十分鍾的白刃格鬥，日軍抵擋不住，向後潰退。敢死隊抬著負傷的七名士兵，和繳獲的裝備，由二班長用繳獲的歪把子機槍做掩護，迅速返回了陣地。從戰鬥中獲得的文件表明，與李玉亭連作戰的日軍是第五師團的田野聯隊。這次出擊，大獲全勝，受到軍長團長的獎勵。由於李玉亭連拚死抵抗，使企圖南進的日軍被死死釘在葛溝，不能向前越過一步。
板垣征四郎最初輕視中國軍隊的戰鬥力，逐次使用兵力，遭到守軍的浴血抵抗，大大消耗了實力。隨中國軍隊觀戰的幾十名中外記者與友邦武官，見日軍一支最優秀的部隊竟然攻不下中國“雜牌軍”的防線，大感意外。當然，這更加出乎板垣意料之外。他見部隊推進遲緩，便拚命督戰，把守軍逼到山窮水盡的地步。
正當龐炳勳軍團與日軍在臨沂外圍激烈爭奪，麵臨滅頂之災的危急關頭，李宗仁已給張自忠的第五十九軍發出電令：
即日由滕縣輸送到嶧縣轉赴臨沂，接龐任務，擊破莒、沂方麵之敵，恢複莒、沂兩縣而扼守之。
張自忠軍本來於3月3日奉第五戰區司令長官部命令，全軍乘火車抵達滕縣城西魯村和大瓦屋附近集結待命。3月8日奉命，派第三十八師的一部北上襲擊鄒縣的日軍，主力向濟寧和兗州之間的日軍進攻，以策應鐵路正麵的中國作戰部隊。9日整備完畢，正要出發，忽然接到上述改變行動的命令，要求他們盡快馳援臨沂龐炳勳的第四十軍。戰區限令張自忠軍立即乘火車南下嶧縣（棗莊），而後急行軍趕到臨沂，時間不得超過3月12日。
張自忠接到命令後，馬上命令黃維綱第三十八師和劉振三第一八零師分別在滕縣、官橋、臨城等車站登車，到嶧縣下車。同時，部署軍部駐紮大嶺，黃維綱師駐紮硯台嶺，劉振三師駐紮白衣莊。兩個師遵命於10日先後在嶧縣下車。部隊稍事休息，便在春雪消融後的泥濘道路上，向距離九十公裏的目的地前進。
第一八零師作戰參謀顧相貞，按照劉振三的命令，先坐汽車到達臨沂城，與龐炳勳、臨沂行署專員張裏元和電話局長張筱軒取得聯係。由於張裏元是顧相貞父親的至交，張筱軒又是他的老友，所以他們詳細地向顧相貞介紹了戰場的情況，與顧相貞直接派便衣了解到的情況基本相符。
行軍途中，張自忠給先頭部隊劉振三師第二十六旅旅長張宗衡發出一個手令：一，據各方情報，臨沂之敵隻有阪垣師團之一個聯隊，最多不過三千人，炮數門以及偽軍一千餘人。隻要沉著應付，不難消滅。二，要以各種方法將敵情偵察清楚。三，到達目的地後，須使官兵充分休息。四，務須處處時時都要小心。