濑谷被教训得确实不轻。在一个大碉堡里，濑谷绝望地瘫在一个黑暗的角落里。参谋长和副官怕一个日军少将旅团长自杀，刺激了世界舆论，诚惶诚恐地来到濑谷身边。发现濑谷从嘴角到身边的一滩鲜血，差点没叫出声来。

“将军，你，受伤了？”参谋长大吃一惊地问。

只见濑谷挪动一下身子，贴着木桩稍稍站起来，半晌才说：“支那军的弹皮要打到一个大日本将军身上，还不那么容易。但，我承认，我受伤了，而且很重！”突然，他盯住参谋长说：“你，我要你，留下！把失去的阵地给我夺回来！”他疯狂地扯住对方领口：“夺……”

由于，敌人又增加了进攻的力量，藤县和汤头一线打得更凶，临沂战况吃紧。徐祖诒就用电话对庞炳勋指示：“庞军长，根据事态发展，前指研究决定：你们应该去同四十一军代军长王铭章会师了！……”

在烈焰燃眉之际，徐祖诒又电令第五十九军张自忠部增援临沂。当时张自忠部正在滕县向济宁、兖州一线的敌人进攻，接到命令后，当即以急行军速度星夜兼程，于十二日到达临沂北郊的沂河西岸。

张自忠抵达后，庞炳勋即要求第五十九军接替城防。张自忠则认为与其消极防御，不如以攻为守，击敌侧背，以解临沂之围。结果张自忠的建议被采纳。

三月十三日子夜，第五十九军运动到刘家湖、崖头、石家屯一线后，强渡沂河。

十四日拂晓，张自忠指挥部队向日寇发起攻击。刘振三第一八○师由诸葛城、大小姜庄渡沂河向徐家太平、大太平附近日军进攻，在亭子头遭到一股日军的顽强抵抗；黄维纲第三十八师由朱家棚、船流渡沂河攻占张家庄、解家庄、白塔。

由于小鬼子在六百五十人在飞机、大炮、坦克的掩护下拼命反击，该师被迫退回沂河西岸。

与此同时，沂河东岸的庞炳勋部第四十军第三十九师亦从正面开始反攻，并向青墩寺、尤家庄一带进攻，于十四日晚占领东西旺庄、东西沙庄。

十五日早晨，庞炳勋部继续前行，占领了郑寨子、黄家屯、东西沈庄、柳杭头，同时派骑兵从右翼迂回董家官庄、沟头一线。同一天，第一八○师攻克亭子头，日军向东、西水湖崖撤退，第三十八师再渡沂河，占领沙岭。

接着，小鬼子增加一个旅团四千多人，从汤坊崖西渡河向沂河西岸的张自忠部的阵地猛烈攻击，敌机十八架也轮番轰炸，第三十八师伤亡较重，但官兵仍然守住了阵地。

当日夜十时至十七日凌晨，小鬼子全力攻击崖头、刘家湖、茶叶山阵地，经密集炮火摧毁后，日军占领了这三处阵地。张自忠急令两个旅增援，奋力抵抗，肉搏多次，终于将丢失的阵地全部夺回，小鬼子大部被歼。

同日，庞炳勋部也发动强大攻势，激战一昼夜，先后占领尤家庄、傅家屯、东西水湖崖、沙河一带，小鬼子退守李家五湖、傅家池、草坡一线。到十八日早晨，庞、张两军一齐从东、南、西三面夹击汤头、傅家池、草坡一线的敌人，经三天血战，临沂方面的敌人约三个联队被完全歼灭，残敌大部逃向莒县，一部向北撤退。

此战，张、庞两军共歼敌四千余人，其中第五十九军歼敌三千余人。小鬼子用载重汽车运回莒县的尸体达一百六十余车，在汤头、葛沟屡次焚化的尸体、来不及运回就地掩埋者达八百具。中**队也为争取胜利付出了惨重的代价。

日寇不甘心在临沂战役中的失败，于三月二十日，复派增援部队四千余人，会同莒县、汤头的残敌，又向庞军阵地展开反攻。

二十四日，敌机到庞军阵地大施轰炸，九门敌炮昼夜不停地轰炸。由于第五十九军张自忠部伤亡太大，除留一个旅的兵力协助庞炳勋部守卫临沂外，主力已于十九日离开临沂转向费县休整，准备向泗水、滕县方面转进。