龐炳勳指揮的這些部隊在防守臨沂初期，戰果顯著。2月下旬，日軍開始南下侵犯，龐炳勳要求部隊嚴密防守，主動出擊。在龐炳勳的指揮下，第115旅前出到莒縣與日軍激戰，殲滅日軍200多人，自己傷亡500多人，戰後，撤退到臨沂附近的相公莊。第116旅在垛莊、湯頭一線截擊日軍，殲滅日軍數十人，擊毀汽車3輛，繳獲汽車1輛，戰後，部隊退到臨沂的諸葛城。
日軍在3月上旬發動進攻，顯然進行了充分準備。阪本順少將率領的部隊不但編製滿員，還有飛機大炮配合。龐炳勳軍長要求部隊嚴守陣地，同時把日軍進攻的嚴重情況如實向李宗仁報告。
李宗仁深思熟慮之下，覺得如要確保徐州安全，就必須加強兵力，遂向蔣介石要求調增兵力。
3月10日，日軍在坦克、飛機和眾多炮火的掩護下，向臨沂發起了猛烈的攻擊。龐炳勳軍長嚴令部隊堅守陣地，不準放過1名日本鬼子。激烈的戰鬥進行了一天一夜，日軍始終無法突破第40軍的防線。
這一天戰鬥，使徐州的外國使團和記者感到吃驚。日軍精銳的阪垣師團的部隊竟然無法突破中國一支“雜牌軍”的防守，對此，他們感到非常驚訝。
此日的結局使阪垣征四郎惱羞成怒，這個日軍中將一麵調遣增援部隊，一麵命令第21旅團繼續對臨沂發起猛攻。
日軍連續不斷的猛烈進攻，使第40軍遭到重大損失。龐炳勳把警衛排都派到陣地上去了，預備隊也沒有了，不得不連發急電，請求李宗仁支援。
李宗仁為難了。龐炳勳勢單力薄，應該派部隊去支援。張自忠指揮的第59軍及所屬第38師、第180師離臨沂不遠，本該調第59軍增援臨沂。但是，張自忠與龐炳勳之間的成見頗深。戰前，張自忠得知龐炳勳率領第40軍也來參加徐州會戰，曾對人說：在任何戰場都可以拚死一戰，唯獨不願意與龐炳勳在一個戰場作戰。
張自忠與龐炳勳原來都是馮玉祥的部下，在戰火中結下了深厚的情誼，彼此以兄弟相待。1930年，蔣、馮、閻軍閥混戰爆發。9月18日，張學良擁蔣入關以後，馮玉祥部一些部隊敗退，有的部隊陣前反戈，投向蔣介石。龐炳勳率領部屬退到鄭州西南，難以了解戰場全局情況，部隊曾襲擊張自忠的師指揮部。那場戰鬥，張自忠險遭不測。自此以後，兩人結怨頗深。幾年過去了，張自忠和龐炳勳各自率領一個軍馳騁在抗日戰場上，但1930年的那個不愉快事件並沒有從李宗仁的記憶中抹去。
李宗仁想起張自忠戰前那句話，覺得很難讓張自忠率領部隊去解臨沂之圍。
可是，第5戰區除了滕縣附近張自忠指揮的第59軍外，沒有其他部隊可以調動了。雖說軍令不可違，但是，如果張自忠心中不痛快，即使率領部隊行動，也難以真正解臨沂之圍。李宗仁思前想後，決定親自找張自忠談話。
這天，李宗仁找到張自忠，試探性地問：“張軍長，臨沂戰場萬分危急，你知道嗎？”
“看到戰況通報了。”張自忠響亮地回答。
李宗仁點了點頭，開門見山地說：“張軍長，你和龐炳勳有宿怨，我甚為了解。本來，我不想強人之難。不過，以前的內戰皆為私怨私仇。現在，龐炳勳軍長在前方浴血抗日，乃屬雪國恥，報國仇。希望你以國家為重，受點委屈，摒棄個人前嫌。我命令你立即率領部隊前去解臨沂之圍。你務必要絕對服從龐軍長的指揮，切勿遲疑，貽誤戰機。”說完這番話，李宗仁閉了閉眼，開始思考如何進一步說服張自忠。
“絕對服從命令。”張自忠不等聽完李宗仁的話，騰地站起來，那聲音裏有一種強烈的激情，一種對日寇無比仇恨的激情，一種愛國的激情。
聽到張自忠的回答，李宗仁嚴肅的臉上露出了少有的笑容，連聲說：“這就好！這就好！”
張自忠離開指揮部時，又回頭說：“請李長官放心，我部立即行動。”
李宗仁有一種預感，一種明顯的預感。他對身旁的一名軍官說：“你們準備好，臨沂戰場一定會有捷報傳來。”
張自忠接受李宗仁下達的命令後，立即指揮部隊行動。第59軍星夜兼程，部隊日行軍90公裏，趕到臨沂北郊的沂河西岸時，已經是3月11日傍晚了。
這時候，臨沂戰場上共有中國軍隊3個師、1個海軍陸戰隊，約3萬人。由於張自忠率領部隊趕到臨沂，敵我兵力對比發生了根本性的變化。
張自忠不等安營就緒，立即組織部隊進行偵察。張自忠得知，當麵日軍共有３個聯隊，約9000多人。日軍裝備有大量裝甲車、坦克、大口徑火炮，作戰時有飛機配合，臨沂城外一些村莊已被日軍占領。於是，張自忠命令部隊加強戰備，自己設法與守城部隊取得聯係。
龐炳勳得知張自忠親自率領部隊從滕縣附近趕來增援，深受感動。龐炳勳把第5戰區參謀長徐祖詒叫過來，同張自忠一起研究作戰計劃。
張自忠提出，我軍應利用夜暗向日軍的側背出擊，龐炳勳和徐祖詒都表示同意。3人決定，部隊以攻為守，采取側背襲擊日軍的戰術，解臨沂之圍。
以攻為守，側背出擊，這是李宗仁徐州會戰的基本作戰思想的體現。這一戰法化解了臨沂之圍。