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。三人決定，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。
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！”