由于战区司令长官李宗仁指挥有误，失去了歼灭坂本支队的战机，致使日军第五师获得喘息的机会进行反扑。
21日，张自忠率五十九军主力由临沂直趋滕县，22日晨到达费县附近，此时庞炳勋转来李宗仁电话，命五十九军停止前进，原地待命。
张自忠估计，临沂战局有变。一面命部队停止前进，一面派侦察部队返临沂侦察敌情。
原来板垣征四郎大败丧气，正感穷途末路之时，突然得知张自忠部他调，不由大喜，额手称庆道：“张自忠部调走，真是天助我成功矣。”他忙纠集残部，调派援兵，向临沂发起猖狂反扑。
庞炳勋以疲惫之残部应战，只有招架之功，那有还手之力，被迫退守原阵地，临沂以东桃园、黄山一线。日军发动猛攻，庞军陷于苦战，局势十分危急，庞炳勋无法，只得向战区一再告急求援。
蒋介石获悉临沂再度告急，即电张自忠：“第五十九军不必向泗水、滕县分转兵力，仍应协力第四十军迅速歼灭临沂北方之敌，以竞全功，而利大局为要。”
五十九军由于牺牲颇重，心情压抑，加之上面指挥失策，坐失战机，致使敌人起死回生；我军往返奔波，极为疲惫，对于这朝令夕改，不当指挥颇有怨言。张自忠多方训导，安抚军心，鼓舞士气。张克侠在日记中写道：“军长训话时，官兵皆哭，诚亦伤心事也，多少可爱儿女，已血洒疆场矣！”
23日夜10时，五十九军以强行军返回临沂。24日下午，五十九军抵达临沂。张自忠入城见庞炳勋。
张自忠的到来，令庞炳勋百感交集，他涕泗横流地对张自忠道：“荩忱，真难为你了。这次他们来得更凶，我几乎快成光杆司令了，实在难以支持。要不是你及时回来，四十军将全军覆灭，临沂势难保全了。”
张自忠此时的心情也很沉重，他向庞炳勋说出这次在路上反复思考的方案：“现在我们已失去了主动权，这是很可惜的。五十九军伤亡很重，此次已不宜再取攻势，应当逼敌侧背，建立阵地，敌人必然回攻，城围自然可解。而我可凭借工事予敌重创，然后再转入攻势，这样较为有利。”
庞炳勋大惊，他误以为张自忠采取守势，意在保全实力，不愿全力相救。他声音颤抖地说：“荩忱，我的队伍已拼得差不多了，这你是知道的。五十九军若不取攻势，我只有全军覆灭了。念咱们西北同源，无论如何请你想想办法。老弟的恩德于公于私我当永志不忘。”
张自忠注意到庞炳勋双眼已哭肿，看来部队伤亡惨重，使他悲痛不已。看着庞炳勋老泪纵横、布满血丝的双眼，以及他步履蹒跚的龙钟老态，不由深感同情。他商定在不利条件下再次发动攻势，以解救庞军之危。
这时蒋介石亲自从徐州打来电话，分别与庞、张谈话对他们倍加勉励，要求守住临沂，以竟全功，并保证补给不成问题……。
25日，五十九军杀入临沂西北，以迅雷不及掩耳之势攻占了沂庄、南曲坊一带，并扫清了附近残敌。但庞部却传来坏消息，桃园、三官庄等据点均告失守，九曲庄也将不保。
张自忠非常着急，立即派一个团另两个营直接增援四十军，以巩固临沂东侧阵地，另以一部警戒临（沂）费（县）公路，并负责截击敌人。
入夜后，他下令一八○师主力向沂河东岸坡埠、杨家岭发动佯攻，以迷惑、牵制日军，然后命三十八师主力向临沂城北之古城及前后明坡发起突然进攻。日军猝不及防，伤亡惨重，但是很快就稳住了阵势，便出动十几架飞机及大批中型坦克，配合步兵向三十八师发动反扑。我军在毫无凭借的劣势情况下，以血肉之躯与忠贞的意志与日军逐村逐屋展开争夺，打得十分艰苦、惨烈。
战斗打响不久，张自忠就赶至三十八师督战，他的亲临第一线，令官兵士气大为振奋，英勇冲杀，终于攻下古城。
正在这时，临沂以东庞军阵地再度告急，请五十九军增援，张自忠不得不从有限的攻击力量中抽出一一四旅从七沟、七皋强渡沂河，向临沂东侧桃园、独树头、三官庙一线日军发动进攻。但古城方面，日军趁三十八师立足未稳和主力他调之机发起反扑。激战至深夜，古城西部两个大院被敌占领。
张自忠得报后飞骑赶到，立即组织火力进行反攻。他发现敌人所占的一个大院内堆满高梁秸和稻草，便下令用火攻。士兵们将棉花浸饱汽油后绑在手榴弹上，掷向草垛。顿时院内一片火海，当日寇正在惊惶失措时，张自忠下令推倒院墙，发起冲锋，将上百日军全歼院内，另一大院日军见势不妙，狼狈逃走。
张自忠将军部迁到古城，指挥部队向日军阵地进攻。
26日，一一四旅渡河向桃园、三官庙发起攻击，上午攻克桃园。但三官庙庞部构筑工事很坚固，现反为敌军所用，久攻不克，伤亡甚重。下午日军由独树头出动，反攻桃园。同时大部日军向西迂回，过河抄袭五十九军后方。张自忠急向后方义堂集派兵，当晚桃园失守。
经一天激战，一一四旅伤亡大半，官兵伤亡千余人，目睹士兵们死伤相继，张自忠心痛得潸然泪下。
基于一一四旅难以立足河东，军部后方又出现敌情，张自忠决定退守沂河西岸，此时沂河南岸敌情已很严重，占领义堂集的坂本支队第二十一团准备从西北方向进攻临沂，另一支日军渡河到达临沂以北地区；临费公路上，距临沂十公里处又发现千余日军。
张自忠与徐祖诒、庞炳勋紧急磋商，决定缩短战线，东部防卫依旧由庞炳勋四十军担任，五十九军据守八里屯七沟、小岭、古城、任埠一线。军部移驻白衣庄。
徐祖诒电报李宗仁上述情况，并报称，庞军已基本丧失战斗力，临沂主要靠五十九军支撑，但伤亡极重，且极为疲困，士气受到影响，故请速派援军。
李宗仁即派三十二军一三九师黄光华部、五十七军三三三旅及汤恩伯部骑兵团驰援。
27日，板垣征四郎亲自坐镇，指挥第五师主力向五十九军发动多路进攻，攻击大岭、小岭、北道、南沙埠、古城，为配合这次攻击，还出动了大批飞机、坦克、野炮、山炮。
张自忠东抽西调，分头迎敌。大岭、小岭方面战斗尤为激烈，敌机往复轰炸，并以密集炮火进行轰击，村中房屋着火燃烧，硝烟弥空。日军在炮火掩护下多次发起冲锋，三十八师在此地的一个团和另一个营大部伤亡，阵地岌岌可危。一向沉稳、老练的黄维纲师长，不得不向军部求援。
张自忠命令：“你们要坚决顶住。我们困难，敌人更困难。要坚持最后5分钟！我已命令刘振三师派1个团从诸葛城向敌左侧进攻，支援你师一一二旅方面作战，不久即可到达。”
黄维纲焦急地说：“军长，问题是正面部队有顶不住的样子，眼下实在没人可调了。”
张自忠一瞪眼，发火了：“没有人吗？为什么还有人说话？”
黄师长一听，二话没说，电话一搁，到前线督战去了。
张自忠深知黄维纲的性格，不到万分紧急他不会轻易求援。因此把手头仅有的军部手枪营和六七六团和二营紧急集合起来，由他亲自率队支援。三十八师官兵见军长亲临督战，士气倍增，战线也稳定下来。
张自忠在阵地上通过敌人火力观察，看出日军右翼较弱，他即命令组织小部队向敌人左翼佯攻，以吸引敌人火力。另以一个加强连组成敢死队由小岭村后悄然绕至敌右侧翼，突然发起袭击。敌人猝然受到攻击大惊，敢死队冲入敌群中，大刀狂挥，左砍右劈，猛烈冲杀，上百名日军顷刻成了刀下鬼，其余日军，吓得魂飞魄散。正面守军，乘机出击，日军溃败而逃。
日军在大岭、小岭受挫，又转向前后岗头、古城等地对一八○师发动攻击，两度攻入前后岗头村内，都被一八○师奋力击退。但古城却被敌人占领。
28日，日军又增兵千余，继续猛攻小岭、南沙埠、北道及前后岗头等地。
在师劳兵疲和极度消耗下，装备精良的千余日军生力援兵对五十九军造成极大压力。但庞炳勋此次居然按兵不动以保全实力。五十九军孤军苦战，蒙受巨大伤亡，被迫放弃小岭。
两个星期连续不断的残酷战斗，局势十分严峻，使张自忠和五十九军，经受前所未有的沉重、严峻考验。长时间的鏖战，使官兵们在体力上、精神上都受到极大影响，战斗力明显下降。依靠他们自身的意志力几乎难以支持下去。这对张自忠是一个十分严峻的考验，如果他不能有效地恢复士气，不仅两周来的奋战，上万名弟兄的热血都将付之东流，前功尽弃，使这支部队将彻底垮掉，从此一蹶不振。后果不堪设想。
在如此巨大压力下，张自忠表现了非凡的勇气和坚韧的精神。他马不停蹄地奔波于各个阵地，激励官兵，同官兵们一起战斗。他铿锵有力、充满激情的训话和身先士卒、英勇无畏的英雄气慨，感染了全体官兵，使他们内心的希望之火和胜利信心始终燃烧着。他们苦苦撑持等待援军。
但是，作为援军主力的三十二军一三九师黄光华部，却玩弄保存实力的故伎（注：黄光华在1933年长城战役时就玩弄这一手，致使长城要隘冷口失守，使日军突入长城内，令防守喜峰口一带的宋哲元、张自忠不得不在胜利的情况下饮恨撤兵。此次他又故伎重演，按兵不动，以保存自己实力，殊为可恨。）
援兵不至，使张自忠五十九军咬牙苦撑，殊死奋战，伤亡惨重。
后来黄光华的劣迹被战区发现，明令将其撤职法办，黄某悔恨已晚。但其为抗日造成之损失实无法弥补。其行为实以汉奸卖国贼无异，故依法惩办也是罪有应得，罪不可逭。
援兵盼不到，却盼来了陈调元率领的中央军事委员会劳军团，这对于士气多少有些鼓舞。
在援兵不到的情况下，张自忠只好再次缩短战线，集中兵力扼守临沂城以西以北韦家屯、曹家、七得、十里铺、王庄、前后道沟、岗头一线。
日军第五师自对临沂发起进攻以来，苦战经旬，却被装备低劣的中国军队所阻，不能越雷池一步。此时此刻，日本铁军却显得如此无用，据当时日本杂志透露，板垣征四郎又羞又恼，几欲自杀。
29日，他再命令坂本支队在援军配合下猛攻前后岗头，企图突破临沂西侧防线。
张自忠督率一八○师拼死反击，寸土不让。他在给李宗仁电报中说：“职一息尚存，决与敌奋战到底。”
在援军迟迟不到的情况下，五十九军又孤军奋战了一整天，顶住了日军的猖狂进攻。
在两次临沂大战中五十九军伤亡达一万余人，尤其是第二次临沂战役，从25日到29日，每天伤亡均在千人以上。
临沂大捷，保证了台儿庄大捷，而战斗之残酷、之激烈，还超过了台儿庄战役。
临沂战役，张、庞两军歼敌9000余人，战绩并不比台儿庄战役逊色。面张、庞两军的对手，是号称“铁军”的日军第五师，战斗力比矶谷略强。张、庞两军兵力合计不过四万，我与敌兵力比，小于台儿庄方面。经过20多天激战，张、庞两军基本被打垮，没有一个团保持完整，而台儿庄方面，不说保存实力的汤恩伯部，即使打得最艰苦的孙连仲部，也尚有独立四十四旅没有投入战斗。
1947年1月中国文化供应社出版发行的《中国当代名人逸事》一书中，《张自忠血战殉国》一文是这样记述“临沂战役”的：“徐州大会战前，张将军守临沂一线；其时总部忽截获敌方文件，有谓：‘中路系勇敢善战之汤恩伯，宜全力应付，左翼为不堪一击之张自忠，右翼为老弱无能之庞炳勋，均可各个击破，务必完全消灭，然后对中路包抄。’当军事会议时，当局以示张氏，张大怒，与庞炳勋密商道：‘我们死固不妨，但须为西北军一雪老弱无能与不堪一击之耻，老兄能同死吗？’庞氏也击案道：‘不努力杀者非人！’并请张氏同具衣棺，以示必死。张答：‘丈夫杀敌，胜则前进，死则战骨当速朽，何用衣棺？’说完与庞握手言别，上马直驰防地，召集所部，当众宣布：‘今日出战，为中国复仇，为本军雪耻，自张某以下，有不死者，吾当为厉鬼砍杀之！’随即下令前进，自率精锐两团，均赤臂佩大刀两把，各携手榴弹，趁夜直扑敌军板垣师团阵地。板垣在日军中，也素以勇悍善战有声于时，竟被突破机枪阵地，毙敌无算。所部健儿及张氏本人，为敌血所溅，眉发皆胶成一片，敌军前线两个联队死伤殆尽。沂河两岸，伏尸数里，河水皆赤，张氏布置新阵地既竣，复召集部属训话道：‘此役小胜，尚不足立威，此后更当努力，将敌人逐出沂河流域。’第二日敌部复以全力来犯，张氏利用地形，避开正面的坦克车与马队，从侧面攻击，敌仍败退。先后3战，却敌数十里，歼敌万余人，并将临沂县城克复，揭开台儿庄大捷的序幕。庞炳勋亦经将军的鼓励，连战皆捷，而为抗战史上光荣之一页，因之当局对张自忠将军益为器重。”
在津浦线正面，日军第十师在攻克滕县后，接着又攻陷了枣庄、峄县、韩庄，此后其主力东移，沿枣台支线进攻台儿庄。
3月23日，日军第十师濑谷支队1000余人，由峄县出动，向台儿庄发动进攻，驻守在这里的孙连仲部奋起抵抗，台儿庄战役正式打响。
孙连仲所率的第二集团军，共辖两军三师共七个旅，总兵力2．5万人。这支部队与五十九军同源西北军，以善守著称。
台儿庄战役中，孙连仲与张自忠这两支兄弟部队一东一西，遥相呼应，打出了西北军的威风。
27日，濑谷支队第六十三团攻入台儿庄北门城廓，情况紧急。守城的三十一师在师长池峰城指挥下，对突入之敌实施围攻。二十七师师长黄樵松则率部攻击台儿庄以北的敌人，战斗打得也很艰苦。同一天，蒋介石致电台儿庄前线将士：“台儿庄屏障徐、海，关系第二期作战至巨，故以第二集团军全力保守，即有一兵一卒，亦须本牺牲精神，努力死拼，如果失守，不特全体官兵应加重惩，即李长官、白副参谋总长亦有处分。”
3月30 日，濑谷支队由于六十三团在台儿庄被中国军队南北夹击，陷于苦战，又命令所属第十四团加入战斗，并亲率幕僚赴前线督战，
中国军队则以汤恩伯第二十九军团之第五十二军，由军长关麟征指挥对日军侧背发起进攻。31日，台儿庄的日军已被第二集团军及五十二军全部包围。
临沂方面，奉命增援张、庞两军的东北军第五十七军一一一师三三三旅，由旅长王肇治率领，于30日抵达，汤恩伯的骑兵团也于是日午后抵达古城以西的胡子峪。
张自忠闻报即与庞炳勋共同指挥部队向日军发动全线攻击。正面日军纷纷向北退却，我军分路追击，又歼敌一部。
这天军令部致电李宗仁：“张（自忠）军坚韧抗战，毙敌累累，希转谕慰勉。”
同一天，军事委员会以张自忠在临沂战役建立奇功，特颁令撤销对他的“撤职查办”处分。
这是两个令全军兴奋消息，但却未料及又发生一椿意外。
原来日军第二集团军因第十师濑谷支队被优势的中国军队包围于台儿庄，有全军覆灭之危，便急令在临沂的坂本支队停止攻击，以主力火速驰援台儿庄。坂本便率主力悄悄转移。张自忠、庞炳勋也许因久战疲惫对此却无所觉。后来受到蒋介石严厉训斥。李宗仁在蒋介石面前给张自忠开脱：“张自忠两次保全临沂，牺牲颇大，疲惫之余，未能扼敌西进，诚为美中不足，已饰其努力破坏敌之交通，截断敌之补给矣。”
由于坂本支队主力西进，战区总部认为临沂战局缓解。30日将王肇治旅及汤部骑兵团撤回。徐祖诒也于4月3日返徐州。
实际上坂本支队西进后，临沂方面敌情仍很严重。
日军第五师由莒县不断向临沂增兵。张自忠一面指挥部队正面阻击日军，一面将部份主力改编为游击队，破坏、狙击日军交通补给线、短短几天内就击毁日辎重汽车100余辆。
在此期间，第一集团军番号撤销，集团军直属部队分拨张自忠、刘汝明、冯治安、石友三各部。其中五十九军分得姚景川之骑兵第十三旅。至此，原二十九军各师完全被蒋介石拆散。宋哲元失去兵权，专任第一战区副司令长官，这实际是一个空架子。
4月8日，姚景川率骑兵旅（辖两个团）抵达临沂。同日，李仙洲之九十二军第十三师到临沂，归张自忠指挥。
4月13日，张自忠被任命为第二十七军团长，下辖第五十九军和第九十二军。第五十九军军长由张自忠兼任，第九十二军军长系中央军，军长李仙洲，下辖两个师：第十三师，师长吴良琛；第二十一师，师长由李仙洲兼任。该师未到临沂。
张自忠晋升为军团长，深感名位高了，责任也重了。
这时原北平市警察局长陈继淹奉宋哲元之命来到临沂，慰劳张自忠及五十九军官兵。老友相见，悲喜之情难以言表。谈到这个月来，官兵的巨大伤亡张自忠含泪沉痛地对陈继淹说：“多年患难的弟兄们为国牺牲了，这心里的难过，比油煎还狠！长官远道慰劳能不愧！但相信我领导他们走的是光明大道，虽死犹荣！军人报国，此其时也！谨请转禀宋先生，幸释远怀。”这时五十九军军部距敌人仅600米。
张自忠对陈继淹坦陈胸怀道：“我们受国家多年培养，值此大敌当前，国家民族存亡之际，我们只有三条路可走，第一条是逃，第二是当和尚，第三是死。但是一、二两条路，不是我们走的，那么，只有走第三条路以死报国了！我的心愿如此，你以为怎么样？”
听了这番悲怆的话，陈继淹颇为感动，他诚恳地回答说：“目标选得再好没有，只是当死再死，鸿毛泰山，全在时间与事实的选择。目前责任重大，生死事小。”
老朋友郑重劝勉，张自忠得到不少安慰。
台儿庄方面，汤恩伯、孙连仲、孙桐萱等部于4月3日开始向日军反攻。6日，残敌一万余人向北溃退，我军跟踪追击。7日，台儿庄之敌全部肃清，台儿庄大捷，战役基本结束。
临沂方面，日军却源源增兵，战局仍然十分紧张。
14日，板垣已将第五师及另外两个团：第四十一、四十二团调到义堂集地区，准备再次发动攻势。
此时的五十九军，连番激战，伤亡很大，减员严重，已残破不全。尤其是三十八师，伤亡大部，几不成军。为了维持战斗力，张自忠将部队进行了编并，三十八师所剩兵力，全部并入一一二旅，由旅长李九思指挥；黄维纲师长带领部分干部到徐州以西黄口增募新兵；一八○师仍维持两旅四团建制，但缺员也多，每团只有800人左右。全军可战之兵力只有七、八千人。庞炳勋四十军可用之兵仅2000人左右。两军的分工是，五十九军在城外出战。
16日，日军第四十一、四十二团在第九旅旅长国崎登少将的指挥下，向临沂发起猛攻。我军以久战残破之师对新锐强悍之敌，战斗极为艰苦。18日，临沂城西北角被日军炮火轰塌数处，日步兵乘机在坦克掩护下，突入缺口，攻进城内，情况紧急万分。张、庞两军拼死反击，才将日军击退。但日军凭借其强大火力，连续攻击，临沂城岌岌可危。
19日上午，张自忠电报报告李宗仁战况。
当面之敌，自愿（14日）晨以来，猛烈犯我，着着进逼，迄未停止。啸（18日）晚继续彻夜激战，在敌炮火猛烈轰击下，我阵地全毁，房屋均着火，炮弹已渐达城垣，我官兵于枪林弹雨中流血抵抗，前仆后继，伤亡累累，而干部伤亡尤重，陷于苦战状态。现援军仅到一部，二十一师尚无消息 。现时情况二十一师今晨不能到达，危险堪虑。职已严饰所部，无论伤亡如何，即余一兵一弹亦须拼其全力苦撑到底，以实现保卫临沂之任务。
蒋介石对临沂战局十分关注。19日下午，他致电李宗仁指出：“于学忠军应星夜开临沂，先击破该方面之敌。”
可惜此决定太晚了。19日，日军由西北两面对临沂城发动大规模进攻，五十九军奋力苦战，守住了城郊多数阵地，但右翼大柳园（临沂西北）还是被日军攻陷。守卫临沂城的庞军也未能阻止日军从西关、南关突破。下午5时，攻进城内日军近2000人，庞军与日军展开巷战，双方伤亡惨重。
张自忠指挥五十九军从城外猛攻日军侧背，以图解救庞军之急。正攻击中，庞军已奉李宗仁电令，于午夜由东门突围而出。临沂陷于日寇手中。
临沂失守，张自忠十分痛心，他在给老朋友、军令部次长熊斌电报中道：“职部此次转战临沂，为时月余，激战四次，逐次伤亡，力量削弱，而敌陆续增加，志在报复。职部以兵员疲惫、器械残缺之余，当生力增援机械化之敌，预料必危。今日徒以国势至此，分属军人，义无反顾，是以激励部属，奋斗到底，而在援军未到前，守城庞军退出临沂城垣，战局顿挫，是所痛心，……职忝绾军符，以身许国，救国有心，杀敌无力，殊觉俯仰疚心。”
其实临沂之失，并非守军作战不力，而是战区指挥不当之咎，最大的失误，便是可围歼坂本支队而令五十九军撤军去滕县，致日军第五师这一主力得以死里逃生并窜援台儿庄。且对敌情始终估计不足，以久战疲惫之五十九军往来奔波，更增疲惫且影响士气，在坂本支队西窜后又将临沂援军撤走，只留已疲惫不堪且伤亡严重的五十九军及已完全丧失战斗力的庞军留守临沂，对敌势估计不足，使临沂守军力量不足，以兵疲器钝之张、庞残余之师当日寇精锐之旅，又无援军，虽尽全力，也难挽回败局。
为此，李宗仁致电蒋介石说：“张军团长协守临沂两次，与敌苦战月余，伤亡已重，此次适在峄县敌我主力决战间，敌突增兵猛攻，该军仍在沂城西北地区激烈反攻以图挽回战势，以增援部队沿途受敌迟滞不能遵时到达，致兵力单薄，远援不及，尚非作战不力之咎。拟恳免予置议以示宽大。至于沂城重镇，未能事先妥予布置，致令在峄枣会战激烈之时突告陷落，指挥未适机宜，请即予职以严厉处分，以振纲纪。”
李宗仁敢于承担责任，爱护部下，这也是他知人善任的统帅风度。所以张自忠、孙连仲、庞炳勋等非桂系将领，都能为其不怕牺牲，奋力作战。这不能不说是李宗仁带兵的高明之处。
临沂失守后，四十军开往沛县整训，而张自忠则指挥五十九军、九十二军转向台儿庄以东之长城、四户镇一带，配合汤恩伯第二十一军团作战。
五十九军是久战疲惫、伤亡减员极大之师，亟需整训补充，但却暂时不能，张自忠率领全军，仍克服当前极大的困难，继续战斗。
4月23日，张自忠在郯城附近的一个农村，接见了来访的《新华日报》记者陆诒、《扫荡报》记者张剑心和美国合众社记者杰克·贝尔登。采访时张克侠也在座。
张剑心和张自忠也算是“老朋友”了，而《新华日报》记者陆诒和美国合众社记者杰克·贝尔登都是第一次采访张自忠。
这次采访，给陆诒留下了深刻印象。陆诒在文章中写道：“张自忠将军……身材魁梧高大，浓眉大眼，穿灰布军装，束小皮带，剃着光头，保持着西北军那种刻苦、简朴的生活作风”，“他留给我的印象是质朴诚恳，很少虚伪的客套与圆滑的辞令”，“也从不为曾作出重大的牺牲而居功自傲”。
当三位记者问到临沂大捷时，张自忠谦虚地说：“临沂之捷，主要是由于我军与守城的友军庞炳勋所部密切配合，内外夹攻，才把日军第五师团打败。两军全力穷追一昼夜，沿途日军遗尸甚多，弹药武器损失尤大。日军退据莒县城内，我军因缺乏攻城的重武器，就不能继续攻城聚歼敌人，因此我们这次胜利还不够圆满。”
“请问张将军，据我们所知，这次临沂之战，五十九军与日军几度拼杀，伤亡也是巨大的，在目前，又没有进行整训、补员，这样对五十九军今后作战是否会造成影响？这是我们大家，乃至全国民众都很担心的一个问题。不知张将军对此有何见解？”张剑心问。
张自忠对陆诒和杰克·贝尔登道：“想必二位也是同样心存这么一个问题吧？”
陆诒与杰克点头表示认可。
张自忠道：“毋庸讳言，一个多月来，我五十九军在临沂以劣势装备与号称‘铁军’的板垣征四郎的日军第五师团相抗衡，敌人的装备确实比我军精良得多。但我军全军将士用生命，以勇于牺牲的精神，终于打败了强大的敌人。由于我军装备劣势太大，所以我军伤亡也确实很大，目前也亟需修整、补员。但目下战局不可能。由于减员严重，如说战斗力不受影响，那是不切实际的。但有一点请你们放心，五十九军的士气，不会因为任何情况而受到影响，即使剩下300人，也要打300人的仗，一兵一卒，也要力战到底，以报效国家。”
日军第五师团国崎登支队占领临沂以后，继续向西南方向推进，24日占领郯城、砂头镇，尔后直逼邳县，企图切断陇海路，进袭海州（今连云港）中国守军。
李宗仁令五十九军由台儿庄以东之四户镇出发，东渡沂河截击郯城南犯之敌。张自忠奉命后即令一八○师由吴家道口渡河，经北谢、米庄向大王庄前进。为防止部队在大战之后出现敷衍了事、保存实力的倾向，张自忠特地给刘振三师长下达手令，嘱咐说：“敌攻我汤军正急，二十一D（师）向南进极顺利，张旅应积极进击，或用小部，万不得敷衍了事，以遗人口实，无论如何作法，须求迅速之进展，以援友军之危，是为至要。”
刘振三遵命，即命独立二十六旅旅长张宗衡率部，火速向大王庄推进。
当一八○师独立二十六旅先头部队抵达大王庄时，看到远处一支身着黄色制服的日军迎面开来，误认为是中央军，即派人与之联络，日军突然开火。我军猝不及防，大王庄失守。张宗衡旅长指挥后续部队在大王庄以西麦地与日军对峙。
黄昏后，张自忠命一八○师调整部署，独立二十六旅第六七八团范绍祯部为第一线，占领展庄、大拐等村；独立三十九旅祁光远部主力集中于冯庄，策应二十六旅作战。
27日拂晓，日军开始对独立三十九旅发动攻击，炮火相当猛烈。独立三十九旅势不能支，连连告急。刘振三师长急调独立二十六旅跑步增援，当他们经过范庄时，三十九旅已退至范庄，冯庄失守。
凡跟随张自忠多年的人都知道，他对于未经力战而自行后撤的长官，从不留情。这次冯庄失守，祁光远旅长也难逃处分。果然，军部副官给祁旅长送来张自忠的亲笔手谕：“患难多年，军法无亲。”
祁光远是张自忠老部下，长城抗战任团长，曾在罗文峪作战中立下战功。他看见亲笔手谕，调头就走，表示要与敌人一拼。
张宗衡旅长见状，忙把他拉了回来，劝道：“应把部队收容好，整顿一下再拼也不迟嘛。”
次日一早，张自忠命独立三十九旅撤至一八○师师部楼村附近休整，战斗由张宗衡部接任。
张宗衡旅长迅速调整部署，令杜清岭的六七六团占领陈庄，旅部移驻范庄，范绍祯之六七八团仍据守展庄。
5月1日中午，我军阵地工事尚未筑好，日军已向展庄发起攻击。展庄战斗打响。敌人利用麦秆隐蔽潜近展庄，我村外东西两侧守军死伤甚重，被迫退入展庄村内，依托房屋和院落奋勇抵抗，几次击退进犯的敌人。
5月2日至 3日，日军攻势更猛，炮火更烈。我军沉着应战，待敌冲到距阵地三四十米处，方以步枪、机枪火力和手榴弹杀伤敌人，打败了敌人一次又一次的进攻。
3日下午，张自忠骑马赴前方视察战况，途中遇见由前方撤下来的伤兵。他下马关切地探视了伤兵，又询问了前方的情况。突然，远处的村庄燃起大火。他估计展庄已失守，吩咐伤兵赶快撤离，自己则带领随从飞骑直奔前方。到了范庄，方知刚才是一场虚惊，展庄仍在我军控制之下。
张宗衡旅长向他汇报说：“这次弹药充足，近战全凭手榴弹。敌人就怕咱们的手榴弹。官兵们有信心打退敌人。”
正在说话之间，电话铃声急促地响了起来，是范绍祯团长从展庄打来的电话：“我军官兵伤亡甚重，请求增援。”
张自忠亲自与范团长通话，勉励他坚守阵地，同时令张宗衡速派援兵。张旅长立即命陈庄杜清岭团长派一营向攻击展庄之敌右侧背展开攻击，并派旅部特务连绕到敌左侧背发起进攻。
日军在我三面夹击之下，伤亡惨重，狼狈而逃，大量武器弹药被我军缴获。其中还有骑兵在马上使用的掷弹筒。张自忠对这些战利品颇感兴趣，令随从带走了两门。
5月4日，日军将数门步兵炮推进到展庄东北角约百十米处，向我军猛烈轰击。围墙倒坍，村内碉楼上层也被炸毁。敌步兵在炮火掩护下冲入村内，我军奋勇还击，同日军拼起刺刀，展开白刃战。
张自忠得知展庄危急，令刘振三师长亲往督战。
此后我军采取了一种新战法，各营按敌占院落分配任务，先将入村之敌分别压缩在几个大院内，然后向院内猛投手榴弹，最后由挖好的墙洞突然冲进院内，消灭敌人。这一招出敌意料，效果很好。
我军越战越勇，村内外七个营一齐夹攻，攻入村中的日军几乎大半被消灭。日军抵挡不住，残部向马家湾溃退。
5日拂晓，100余名日军在炮火掩护下又一次冲入村内，又被我歼灭大半，残敌逃跑。日军久攻不下，于6日拂晓，乘浓雾悄然退走。
至此，历时五天的展庄战斗胜利结束。此战，我军依托工事和村落，以较小的伤亡歼敌近600人，缴获三八式步枪300余枝、轻机枪十余挺、烧夷弹炮4门、战刀10余把、掷弹筒6具、呢大衣100余件。以上武器主要装备了一八○师输送营。
这次战斗，祁光远旅长由于丢失冯庄，被张自忠撤职，由特务团团长安克敏接任独立三十六旅旅长。
展庄战斗的胜利，堵住了日军南下的通道，挫败了日军南下邳县截断我陇海路对中国军队实施包围的企图，有力地策应了汤恩伯第二十军团的作战。
展庄战斗后不久，五十九军奉命调往徐州西南卧牛山及其以南地区集结待命。展庄一带的防务，交由樊松甫之第四十六军接替。四十六军官兵接防以后，对五十九军所构筑的工事“极表钦佩。”
五十九军在展庄战斗获胜后，仍未得到休整、补充，但又一个十分严峻的考验，又在等待着张自忠和五十九军官兵们。