在敌人强大兵力的攻击下，庞军力战不支，被迫退至城东桃园、黄山一带防守，临沂形势又趋危急。为确保临沂，解围庞军，张自忠部于二十五日重返临沂增援，在韦家屯、桃园等地与敌寇进行激战，并东渡沂河，占领了桃园。

三月二十六日，小鬼子一千余人，在十八门大炮的掩护下，绕道转至临沂西冯义堂一带，伺机环攻取城。张自忠急派重兵在城西娘娘庙至大岭一线布防，以阻止敌人的进犯。但是攻击三官庙的张自忠部，因损失极大，此部停止了进攻。

小鬼子借机占领了营子、乾沂庄、沙埠庄等村庄。而此时的庞炳勋部因兵力损失过大，已失去战斗力，虽强守九曲店、小李家庄、沭埠岭、黄山一线，但河东的阵地已很难支撑，临沂处在危急之中。

三月二十七日，小鬼子一部从早上七时开始，向古城南沙埠庄及小岭、北道发起攻击，另一部则从蒙阴南下，袭击临沂西南的朱陈镇。

二十八日，敌寇又增加一千余人，炮十二三门，配合飞机对临沂城内轮番轰炸。庞军以第三十九师第一一六旅副旅长崔玉海率刘富生第二三一团会同张里元部保安团守城，其余的撤退到城南一带，军部也随之转移到九曲至黄山一线；第五十九军张自忠部则在七德、前后七里屯、前后岗头一带修筑阵地，与敌人展开血战，击毙敌寇百余人。

至三月二十九日，在日军的猛烈攻击下，临沂已处于危急之中。

第五战区派驻在海州的第五十七军缪澄流部王肇治旅赴临沂增援。该部队于二十九日早晨到达东高都，当晚七时向临沂西北的十里铺前行，并向大、小岭方向出击。

此时，汤恩伯部骑兵团也赶来增援，并于午后抵达城西的胡子峪，向义堂以北的地区发起进攻。敌寇伤亡千余人，被迫向汤头退却。晚上十点，第五十九军再次出击，重创敌寇，迫敌向北退却。

王肇治旅沿沂河，汤恩伯部骑兵团向艾山、义堂一带追击，发动全面的反攻。同日晚，由于临沂久攻不下，台儿庄方面又陷于苦战，小鬼子遂转移进攻方向，命令在临沂的日军停止进攻，抽出坂本旅团主力两个步兵联队和一个野炮兵联队星夜兼程南下，赶赴台儿庄进行支援，仅留一个联队步兵和少数炮兵在临沂与张、庞两军对峙。

至此，第五十九军的伤亡也已达万余人。四月二十一日，由于台儿庄战役吃紧，张、庞两军相继撤离，临沂遂被日军占领。

在临沂保卫战中，第四十军、第五十九军等军全体将士并肩浴血战斗，创造出打死打伤日寇六千余人的光辉战绩，挫败了日军由津浦路和临沂两路夹击台儿庄的计划，奠定了台儿庄战役胜利的基础。

可是，自张自忠军调往临沂之后，小鬼子第十师团随即以濑谷混成旅对第二十二集团军发起猛烈进攻。由于装备悬殊，加之汤恩伯兵团来不及增援，并很快向临县东北的峄山地区转进和退守运河防线，川军伤亡惨重。

战地总指挥、第四十一军代军长兼第一二二师师长王铭章、第一二二师参谋长赵渭滨、第一二四师参谋长邹绍孟等均阵亡，整个第四十一军伤亡过半。

但是，小鬼子万万没有料到，装备如此简陋不堪的川军，竟然久攻不下。

特别是在滕县这座小城，虽然对方是人数和装备都处于严重劣势的第四十一军的几个警卫连（使用手枪）和第一二二师一小部分兵力外加几百人的地方保安队，但小鬼子竟然从三月十四日一直打到十七日才攻克下来。并且直到十八日，滕县城内仍有零星战斗。日军还把准备用于攻打徐州的弹药消耗掉了很多很多。

而日军之所以能在十七日下午攻克滕县，主要原因除了守城军队装备和兵力悬殊、汤恩伯军团增援不及时之外，还有一个更为重要的原因则为很多史论所忽视。

那就是，小鬼子在见滕县川军抵抗顽强而汤恩伯援军的先头部队出现，便迅速调整战略战术，将主力迂回绕过滕县，对滕县和临城之间的南沙河防线、官桥防线突发猛攻，击溃汤恩伯援军和先头主力部队，赶在汤恩伯之前夺取了临城。

在这个临沂保卫战中，敌人伤亡一万二千多人，其中小鬼子被我中**队消灭五千余众。可是，我们中**队的伤亡达两万之多，不管怎么说，中**队在临沂还是打出了水平来的。