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。
4月初，日軍重新組織力量對臨沂發起了第3次攻擊。這時候，中國軍隊在台兒莊對孤立冒進的日軍磯穀支隊基本形成了包圍，一旦日軍第5師團的部隊突破臨沂，與磯穀支隊會合，必將對在台兒莊地區作戰的中國軍隊造成重大威脅。為此，李宗仁嚴令龐炳勳必須堅決守住臨沂。守住臨沂就等於拖住了阪垣征四郎的後腿，使這支日軍的“精銳”部隊無法接近台兒莊。
4月19日，日軍的飛機對臨沂城進行猛烈轟炸。日軍地麵部隊看到臨沂的西城門被炸毀，立即發起衝鋒，湧入臨沂城。龐炳勳和張自忠看到形勢萬分危急，指揮部隊同日軍一條街一條街地爭奪，一條巷一條巷地拚殺。那幾天，臨沂城裏，街街都在發生肉搏戰，巷巷都有槍聲。中國軍隊傷亡慘重，但官兵決不放棄臨沂。
台兒莊戰役接近尾聲時，中國軍隊奉命退出臨沂，向郯城等地轉移。
持續數月的臨沂保衛戰，張自忠、龐炳勳兩支部隊互相配合，挫敗了日軍第5師團與第10師團在徐州北麵會師的企圖。阪垣師團號稱是日軍中的“鐵軍”。中國軍隊能以劣勢裝備挫敗日軍的連續進攻，這對全國的抗日戰場是一個鼓舞。
曆史不會忘記張自忠將軍在臨沂戰場上的功績。
臨沂戰鬥，第59軍雖然傷亡了9000多人，但為爾後的台兒莊大捷奠定了堅實的基礎。戰後，張自忠提升為第27軍團軍團長，同時兼任第59軍軍長。
李宗仁將軍回憶臨沂之戰時，說：“臨沂一役最大的收獲，是將阪垣、磯穀兩師團擬在台兒莊會師的計劃徹底粉碎，造成爾後台兒莊血戰時，磯穀師團孤軍深入，為我圍殲的契機。”李宗仁還指出：“此次臨沂之捷，張自忠的第59軍奮勇赴戰之功，實不可沒。”
白崇德回憶臨沂之戰時，說：“張將軍在徐州會戰之臨沂戰役，與龐炳勳將軍將敵精銳第5師團（阪垣師團）擊潰，減輕徐州戰之壓力，使台兒莊獲得抗戰以來第一次勝利，於戰史上占有輝煌的一頁。”