徐祖詒參謀長看到龐炳勳所在的第3軍團軍團部離前線隻有1.5公裏，難免有些擔心。他對龐炳勳說：“軍團部是不是轉移到付家莊去？那裏離城南有10公裏。”
龐炳勳搖了搖頭，拒絕了這位參謀長的善意。他說：“現在敵情這麼嚴重，如果我龐某臨危後退，前方就會士氣動搖，臨沂城就難保了。”
3月14日淩晨3時，張自忠指揮第59軍右翼隊強渡沂河，占領東岸後，向日軍的右側後發起猛烈攻擊。日軍第21旅團阪本順少將正集中力量向臨沂攻擊，萬萬沒有想到自己的背後突然冒出來第59軍，部隊頓時混亂起來。這天，張自忠指揮的部隊殲滅了日軍2000多人。此後數日激戰，第59軍奪回了被日軍攻占的亭子頭、大太平、徐家太平、沙子嶺等多處據點。
3月16日，日軍在航空兵配合下，向第59軍防守的崖頭、劉家湖、釣魚台一線陣地反撲。第59軍第38師官兵頑強抗擊，戰鬥中，中國軍隊的官兵與日軍短兵相接，異常勇敢，一些部隊的官兵遭受重大傷亡，仍然堅守陣地。第678團2營在營長的帶領下，奮不顧身，運用各種手段打擊日軍。麵對日軍的野蠻反攻，毫無懼色，包括營長在內的全體官兵壯烈殉國，事跡可歌可泣。
龐炳勳的守城部隊看到張自忠將軍親自率領援軍趕到，士氣大振。3月18日，第59軍與第3軍團的部隊內外夾擊，聯合行動，分別從東麵、南麵和西麵3個方向攻擊湯頭、王疃、傅家地附近的日軍。經過3天激戰，日軍狼狽地向莒縣逃竄。
這次戰鬥，張自忠與龐炳勳合作，指揮部隊殲滅日軍3000多人，擊落飛機2架，擊毀坦克6輛，繳獲大量槍支彈藥和軍用物資，取得了臨沂戰場的第一次勝利。
臨沂戰場的第一次勝利，在全國產生了重大影響，《大公報》曾以“臨沂大捷”為標題，發表了社論，對部隊的勇敢戰鬥給予高度讚揚。蔣介石和李宗仁都給予龐炳勳嘉獎。
這次戰鬥，與張自忠的鼎力相助密不可分。戰後，有的官兵談到張自忠率軍增援臨沂這一行動時，讚不絕口，說：當時“若非張大義凜然，不挾前嫌，及時赴援。龐氏已成甕中之物，必致全軍覆沒，更談不上臨沂、台兒莊大捷了！”
臨沂戰場的第一個勝利，中國軍隊付出了傷亡3000多人的代價。抗日將士的熱血灑在臨沂陣地上。
3月20日，張自忠接到命令，第59軍主力調到臨沂西麵的費縣作戰。
3月23日，日軍第21旅團得到第5師團給予的增援以後，再次向臨沂發動猛攻。龐炳勳指揮部隊在沂河西岸堅守。部隊連續作戰，得不到有效的補充和休整，傷亡慘重。部隊撤到臨沂近郊後，龐炳勳深感兵力不足，命令他身邊的特務營、學生隊等凡有戰鬥力的人，都要上戰場。
李宗仁為了守住臨沂這個要點，再次命令張自忠率領第59軍星夜東進，馳援臨沂。此時，台兒莊戰役已經打響，臨沂的得失直接關係到台兒莊戰役的成敗，影響到徐州會戰的成敗。李宗仁對堅守臨沂的決心很堅決。
3月24日，張自忠指揮第59軍主力從臨沂的西北方向對日軍的側背發起攻擊，一部分兵力前往臨沂城，增援龐炳勳堅守臨沂，確保臨沂不失。
第59軍向日軍發起攻擊之初，進展順利。但是，日軍很快進行反擊。日軍第21旅團再次遭到張自忠部的側擊，已經不像第一次那樣慌亂了。這一次，日軍對作戰部署稍作調整以後，就憑借優良的武器裝備向第59軍進行反撲。激烈的戰鬥持續了數日，日軍遭到重大傷亡。茶葉山戰鬥中，張自忠為了爭取主動，把師預備隊調到山南，攻擊日軍的側後。當日軍增加兵力爭奪茶葉山時，張自忠命令總預備隊投入戰鬥，日軍反攻受挫。
3月29日下午，張自忠下達了全軍總攻擊的命令。
59軍勢如猛虎，日軍節節敗退，但退至沙嶺子時，卻憑借已有工事和優勢火力頑強抵抗。中國軍隊幾次衝鋒，都難以突破日軍陣地，部隊遭受重大傷亡。
張自忠的心揪緊了。臨沂戰鬥，這是“盧溝橋事變”以來將軍重返前線指揮的第一仗。現在，戰鬥已經到了千鈞一發的關頭，士兵們在流血，陣地前到處是屍體。張自忠站在前沿陣地上，耳邊不時傳來一陣陣炮聲，那是台兒莊戰役的炮聲，那是徐州會戰的炮聲。聽到這炮聲，將軍的熱血沸騰了……
張自忠猛地拿起筆，寫下3條手令。其中寫道：
“敵人亦到最後關頭，看誰能忍最後之一秒鍾，誰就能成功。我困難，敵之困難更大；我苦戰，敵之苦處數倍於我。望率所部撐眼前這一極小之時間，甚盼，甚盼。”
張自忠的手令轉達到部隊以後，官兵們爭相傳閱，部隊士氣大增。在中國軍隊震天動地的衝殺聲中，日軍敗退了。
中國軍隊取得了臨沂戰場的第二次勝利。
日軍第21旅團在阪本順少將指揮下，自３月初對臨沂發動進攻以來，進展緩慢，平均每天前進不到2公裏，且傷亡慘重。全支隊一共8000多人，被殲滅3000多人。這使阪垣征四郎非常惱火。3月31日，阪垣征四郎來到湯頭鎮，嚴厲訓斥潰敗下來的日軍，命令阪本順支隊長在現地死守，決不能後撤。