西路：日军第10师团矾谷廉介中将指挥长濑谷支队从济宁地区西渡运河，向嘉祥进攻；命令濑谷支队沿津浦铁路南进，向滕县进攻。
日军进攻的枪声，首先在东路的临沂方向响起。
3月5日，东路日军第21旅团在旅团长坂本顺少将的指挥下，进至临沂北面的汤头、白塔一线。这路日军共有3个步兵团、1个炮兵团、1个骑兵营，共2万余人。主要编制有：
第11联队所属2个大队；第21联队；第42联队所属1个大队；野炮兵第5联队所属2个大队；山炮兵1个中队。
汤头、白塔一线，距离临沂城只有5余公里路，日军占领进攻出发阵地后，随时都可能向临沂发动攻击。而防守临沂的中国军队只有庞炳勋军长指挥的第40军所属5个团。
庞炳勋是河北新河人，1879年出生，早年在北洋军第三镇当兵。1921年以后，相继担任陆军第15混成旅副旅官、骑兵营长、旅参谋长、第2混成旅旅长、暂编第5军军长等职务，1929年任冯玉祥部第3路总指挥。1933年率领部队参加长城抗战，任第10军团总指挥。1935年升至陆军中将。全面抗战爆发以后，1938年初出任5军团军团长。2月，根据李宗仁的命令，率领部队防守临沂。
庞炳勋刚到临沂时，临沂城的老百姓敲锣打鼓，纷纷上街欢迎。部队进城时，一些妇女和儿童手捧红枣和鸡蛋站在道路旁，热情地慰问部队。部队进城以后，临沂的一些青年争先恐后地要求参军。一位头发花白的老大娘提着一篮鸡蛋，急匆匆地走进庞炳勋指挥部，一定要把鸡蛋亲手送到庞长官手里。
庞炳勋为临沂百姓的热情所感动，他对官兵们说：我们如果不拼命打日本鬼子，真对不起老百姓呀！
庞炳勋指挥的这些部队在防守临沂初期，战果显著。2月下旬，日军开始南下侵犯，庞炳勋要求部队严密防守，主动出击。在庞炳勋的指挥下，第115旅前出到莒县与日军激战，歼灭日军200多人，自己伤亡500多人，战后，撤退到临沂附近的相公庄。第116旅在垛庄、汤头一线截击日军，歼灭日军数十人，击毁汽车3辆，缴获汽车1辆，战后，部队退到临沂的诸葛城。
日军在3月上旬发动进攻，显然进行了充分准备。坂本顺少将率领的部队不但编制满员，还有飞机大炮配合。庞炳勋军长要求部队严守阵地，同时把日军进攻的严重情况如实向李宗仁报告。
李宗仁深思熟虑之下，觉得如要确保徐州安全，就必须加强兵力，遂向蒋介石要求调增兵力。
3月10日，日军在坦克、飞机和众多炮火的掩护下，向临沂发起了猛烈的攻击。庞炳勋军长严令部队坚守阵地，不准放过1名日本鬼子。激烈的战斗进行了一天一夜，日军始终无法突破第40军的防线。
这一天战斗，使徐州的外国使团和记者感到吃惊。日军精锐的坂垣师团的部队竟然无法突破中国一支“杂牌军”的防守，对此，他们感到非常惊讶。
此日的结局使坂垣征四郎恼羞成怒，这个日军中将一面调遣增援部队，一面命令第21旅团继续对临沂发起猛攻。
日军连续不断的猛烈进攻，使第40军遭到重大损失。庞炳勋把警卫排都派到阵地上去了，预备队也没有了，不得不连发急电，请求李宗仁支援。
李宗仁为难了。庞炳勋势单力薄，应该派部队去支援。张自忠指挥的第59军及所属第38师、第180师离临沂不远，本该调第59军增援临沂。但是，张自忠与庞炳勋之间的成见颇深。战前，张自忠得知庞炳勋率领第40军也来参加徐州会战，曾对人说：在任何战场都可以拼死一战，唯独不愿意与庞炳勋在一个战场作战。
张自忠与庞炳勋原来都是冯玉祥的部下，在战火中结下了深厚的情谊，彼此以兄弟相待。1930年，蒋、冯、阎军阀混战爆发。9月18日，张学良拥蒋入关以后，冯玉祥部一些部队败退，有的部队阵前反戈，投向蒋介石。庞炳勋率领部属退到郑州西南，难以了解战场全局情况，部队曾袭击张自忠的师指挥部。那场战斗，张自忠险遭不测。自此以后，两人结怨颇深。几年过去了，张自忠和庞炳勋各自率领一个军驰骋在抗日战场上，但1930年的那个不愉快事件并没有从李宗仁的记忆中抹去。
李宗仁想起张自忠战前那句话，觉得很难让张自忠率领部队去解临沂之围。
可是，第5战区除了滕县附近张自忠指挥的第59军外，没有其他部队可以调动了。虽说军令不可违，但是，如果张自忠心中不痛快，即使率领部队行动，也难以真正解临沂之围。李宗仁思前想后，决定亲自找张自忠谈话。
这天，李宗仁找到张自忠，试探性地问：“张军长，临沂战场万分危急，你知道吗？”
“看到战况通报了。”张自忠响亮地回答。
李宗仁点了点头，开门见山地说：“张军长，你和庞炳勋有宿怨，我甚为了解。本来，我不想强人之难。不过，以前的内战皆为私怨私仇。现在，庞炳勋军长在前方浴血抗日，乃属雪国耻，报国仇。希望你以国家为重，受点委屈，摒弃个人前嫌。我命令你立即率领部队前去解临沂之围。你务必要绝对服从庞军长的指挥，切勿迟疑，贻误战机。”说完这番话，李宗仁闭了闭眼，开始思考如何进一步说服张自忠。
“绝对服从命令。”张自忠不等听完李宗仁的话，腾地站起来，那声音里有一种强烈的激情，一种对日寇无比仇恨的激情，一种爱国的激情。
听到张自忠的回答，李宗仁严肃的脸上露出了少有的笑容，连声说：“这就好！这就好！”
张自忠离开指挥部时，又回头说：“请李长官放心，我部立即行动。”
李宗仁有一种预感，一种明显的预感。他对身旁的一名军官说：“你们准备好，临沂战场一定会有捷报传来。”
张自忠接受李宗仁下达的命令后，立即指挥部队行动。第59军星夜兼程，部队日行军90公里，赶到临沂北郊的沂河西岸时，已经是3月11日傍晚了。
这时候，临沂战场上共有中国军队3个师、1个海军陆战队，约3万人。由于张自忠率领部队赶到临沂，敌我兵力对比发生了根本性的变化。
张自忠不等安营就绪，立即组织部队进行侦察。张自忠得知，当面日军共有3个联队，约9000多人。日军装备有大量装甲车、坦克、大口径火炮，作战时有飞机配合，临沂城外一些村庄已被日军占领。于是，张自忠命令部队加强战备，自己设法与守城部队取得联系。
庞炳勋得知张自忠亲自率领部队从滕县附近赶来增援，深受感动。庞炳勋把第5战区参谋长徐祖诒叫过来，同张自忠一起研究作战计划。
张自忠提出，我军应利用夜暗向日军的侧背出击，庞炳勋和徐祖诒都表示同意。三人决定，部队以攻为守，采取侧背袭击日军的战术，解临沂之围。
以攻为守，侧背出击，这是李宗仁徐州会战的基本作战思想的体现。这一战法化解了临沂之围。
徐祖诒参谋长看到庞炳勋所在的第3军团军团部离前线只有1.5公里，难免有些担心。他对庞炳勋说：“军团部是不是转移到付家庄去？那里离城南有10公里。”
庞炳勋摇了摇头，拒绝了这位参谋长的善意。他说：“现在敌情这么严重，如果我庞某临危后退，前方就会士气动摇，临沂城就难保了。”
3月14日凌晨3时，张自忠指挥第59军右翼队强渡沂河，占领东岸后，向日军的右侧后发起猛烈攻击。日军第21旅团坂本顺少将正集中力量向临沂攻击，万万没有想到自己的背后突然冒出来第59军，部队顿时混乱起来。这天，张自忠指挥的部队歼灭了日军2000多人。此后数日激战，第59军夺回了被日军攻占的亭子头、大太平、徐家太平、沙子岭等多处据点。
3月16日，日军在航空兵配合下，向第59军防守的崖头、刘家湖、钓鱼台一线阵地反扑。第59军第38师官兵顽强抗击，战斗中，中国军队的官兵与日军短兵相接，异常勇敢，一些部队的官兵遭受重大伤亡，仍然坚守阵地。第678团2营在营长的带领下，奋不顾身，运用各种手段打击日军。面对日军的野蛮反攻，毫无惧色，包括营长在内的全体官兵壮烈殉国，事迹可歌可泣。
庞炳勋的守城部队看到张自忠将军亲自率领援军赶到，士气大振。3月18日，第59军与第3军团的部队内外夹击，联合行动，分别从东面、南面和西面3个方向攻击汤头、王疃、傅家地附近的日军。经过3天激战，日军狼狈地向莒县逃窜。
这次战斗，张自忠与庞炳勋合作，指挥部队歼灭日军3000多人，击落飞机2架，击毁坦克6辆，缴获大量枪支弹药和军用物资，取得了临沂战场的第一次胜利。
临沂战场的第一次胜利，在全国产生了重大影响，《大公报》曾以“临沂大捷”为标题，发表了社论，对部队的勇敢战斗给予高度赞扬。蒋介石和李宗仁都给予庞炳勋嘉奖。
这次战斗，与张自忠的鼎力相助密不可分。战后，有的官兵谈到张自忠率军增援临沂这一行动时，赞不绝口，说：当时“若非张大义凛然，不挟前嫌，及时赴援。庞氏已成瓮中之物，必致全军覆没，更谈不上临沂、台儿庄大捷了！”
临沂战场的第一个胜利，中国军队付出了伤亡3000多人的代价。抗日将士的热血洒在临沂阵地上。
3月20日，张自忠接到命令，第59军主力调到临沂西面的费县作战。
3月23日，日军第21旅团得到第5师团给予的增援以后，再次向临沂发动猛攻。庞炳勋指挥部队在沂河西岸坚守。部队连续作战，得不到有效的补充和休整，伤亡惨重。部队撤到临沂近郊后，庞炳勋深感兵力不足，命令他身边的特务营、学生队等凡有战斗力的人，都要上战场。
李宗仁为了守住临沂这个要点，再次命令张自忠率领第59军星夜东进，驰援临沂。此时，台儿庄战役已经打响，临沂的得失直接关系到台儿庄战役的成败，影响到徐州会战的成败。李宗仁对坚守临沂的决心很坚决。
3月24日，张自忠指挥第59军主力从临沂的西北方向对日军的侧背发起攻击，一部分兵力前往临沂城，增援庞炳勋坚守临沂，确保临沂不失。
第59军向日军发起攻击之初，进展顺利。但是，日军很快进行反击。日军第21旅团再次遭到张自忠部的侧击，已经不像第一次那样慌乱了。这一次，日军对作战部署稍作调整以后，就凭借优良的武器装备向第59军进行反扑。激烈的战斗持续了数日，日军遭到重大伤亡。茶叶山战斗中，张自忠为了争取主动，把师预备队调到山南，攻击日军的侧后。当日军增加兵力争夺茶叶山时，张自忠命令总预备队投入战斗，日军反攻受挫。
3月29日下午，张自忠下达了全军总攻击的命令。
59军势如猛虎，日军节节败退，但退至沙岭子时，却凭借已有工事和优势火力顽强抵抗。中国军队几次冲锋，都难以突破日军阵地，部队遭受重大伤亡。
张自忠的心揪紧了。临沂战斗，这是“卢沟桥事变”以来将军重返前线指挥的第一仗。现在，战斗已经到了千钧一发的关头，士兵们在流血，阵地前到处是尸体。张自忠站在前沿阵地上，耳边不时传来一阵阵炮声，那是台儿庄战役的炮声，那是徐州会战的炮声。听到这炮声，将军的热血沸腾了……
张自忠猛地拿起笔，写下3条手令。其中写道：
“敌人亦到最后关头，看谁能忍最后之一秒钟，谁就能成功。我困难，敌之困难更大；我苦战，敌之苦处数倍于我。望率所部撑眼前这一极小之时间，甚盼，甚盼。”
张自忠的手令转达到部队以后，官兵们争相传阅，部队士气大增。在中国军队震天动地的冲杀声中，日军败退了。
中国军队取得了临沂战场的第二次胜利。
日军第21旅团在坂本顺少将指挥下，自3月初对临沂发动进攻以来，进展缓慢，平均每天前进不到2公里，且伤亡惨重。全支队一共8000多人，被歼灭3000多人。这使坂垣征四郎非常恼火。3月31日，坂垣征四郎来到汤头镇，严厉训斥溃败下来的日军，命令坂本顺支队长在现地死守，决不能后撤。
4月初，日军重新组织力量对临沂发起了第3次攻击。这时候，中国军队在台儿庄对孤立冒进的日军矶谷支队基本形成了包围，一旦日军第5师团的部队突破临沂，与矶谷支队会合，必将对在台儿庄地区作战的中国军队造成重大威胁。为此，李宗仁严令庞炳勋必须坚决守住临沂。守住临沂就等于拖住了坂垣征四郎的后腿，使这支日军的“精锐”部队无法接近台儿庄。
4月19日，日军的飞机对临沂城进行猛烈轰炸。日军地面部队看到临沂的西城门被炸毁，立即发起冲锋，涌入临沂城。庞炳勋和张自忠看到形势万分危急，指挥部队同日军一条街一条街地争夺，一条巷一条巷地拼杀。那几天，临沂城里，街街都在发生肉搏战，巷巷都有枪声。中国军队伤亡惨重，但官兵决不放弃临沂。
台儿庄战役接近尾声时，中国军队奉命退出临沂，向郯城等地转移。
持续数月的临沂保卫战，张自忠、庞炳勋两支部队互相配合，挫败了日军第5师团与第10师团在徐州北面会师的企图。坂垣师团号称是日军中的“铁军”。中国军队能以劣势装备挫败日军的连续进攻，这对全国的抗日战场是一个鼓舞。
历史不会忘记张自忠将军在临沂战场上的功绩。
临沂战斗，第59军虽然伤亡了9000多人，但为尔后的台儿庄大捷奠定了坚实的基础。战后，张自忠提升为第27军团军团长，同时兼任第59军军长。