3月14日凌晨4时，天地之间一片漆黑，张自忠指挥第五十九军的三十八师为左翼，一八○师为右翼，一一四旅为预备队。以迅雷不及掩耳之势，qiáng渡沂河，向日军第五师团的右侧背发起攻击。几乎同时，庞炳勋指挥的第五十九军分左右两路，在亭子头、大太平、申家太平、徐家太平、沙岭子等处，向第五师团的正面攻击。第五师团被两面夹击，坂垣毕竟是战术上的内行，他很快就发现了庞军东南方向阵地上兵力不足的弱点，便集中大炮，猛轰东南方向。不久，日军便打开了缺口，步兵接着冲入了临沂城。临沂危在旦夕！庞炳勋命令邵恩三率预备队上来，发起反击，两军白刃格斗。
徐祖贻发现预备队兵力不足，日军有可能占领临沂，便打电话询问庞炳勋:“你手中还有多少预备队？能不能全部tiáo上去，迅速挡住敌人！”
“我一共只有两个师，补充团一部在九曲抗敌，另一部在城内与敌搏斗，连我身边的警卫都上去了，再有就是我这把老骨头了！”庞炳勋心急火燎地说。
关键时刻，又是张自忠主动派了一个团，前来增援庞炳勋。他们与庞军共同战斗，一下子把第五师团推出城外，坂垣见自己的部队三次被推出城外，命令预备队再次攻城。16日晚，徐祖贻见整个临沂城成了一堆废墟，认为现在守城的意义已不大，况且，庞军、张军伤亡较大，为了保存力量，他电话征求庞、张二人意见，是否暂时撤出战斗，向郯城方向转移。
张自忠认为此时敌我双方伤亡都很大，就看谁有韧劲再坚持一下，他觉得只要再打一天一夜，敌人就可能会撤出战斗。
徐祖贻听了张自忠的建议，反复推敲还是拿不定主意，便电话向李宗仁报告，请求李宗仁指示。李宗仁分析后，同意张自忠的建议，并要徐祖贻认真组织讨论反击方案。
反击的任务主要由张自忠部队担负。张自忠在团以上军官作战会议上，传达了反击方案。他紧握着拳头，坚定地说:“弟兄们，敌人欺软怕硬，我们朝敌人的薄弱点坚决地打，部队要chā进去，要多箭头向纵深发展。只要我们猛chā进去后，敌人就会乱了方寸。我们把敌人分成一小块一小块地吃掉，动作要猛要狠。尤其要指定神枪手，对准敌人的机枪手、迫击炮手打！”他又指着地图上的刘家湖说，“这里的敌人阵地有炮工事，你们要在夜间用炸药把这些炮工事炸掉！”最后，他下令所有师长、团长、营长都要到第一线指挥战斗。
3月16日夜晚，天气晴好，月光融融。第五十九军官兵全体上阵，先以大炮朝敌阵地炮轰，轰隆隆的炮声中夹杂着隐约的炸药包的爆炸声。敌人阵地上顿时火光闪闪，人影晃动。张自忠估计，敌阵地被大炮炸得差不多了，便下令冲锋。官兵们如狂涛般向敌阵地冲过去，激战一昼夜，庞军占领尤家庄、傅家屯。张自忠发现另一支部队占领了东西水湖崖、沙岭一线，感到十分奇怪，他不知道这是一支什么部队。派人一打听，才知道庞炳勋指挥第三军团杀来了，敌人吓得逃跑了。庞、张两支部队奋起追杀，再次占领了汤头、三疃、傅家池、草坡一线战略要点。巩固了战略要点后，他们继续追杀日军，先后攻克了李家五湖、辇沂庄、辛庄、车庄、前湖崖等地。日军不支溃退，向莒县败逃。
此次战斗，虽然双方伤亡都在3000余人，但中国jūn_duì 保卫了临沂，刹住了日军进攻的气焰，尤其是日军的第十一联队长野裕一郎大佐和年田中佐被击毙。日军用卡车拉回焚化的尸体就有120余车，来不及运回就地掩埋的尸体有900余具。
临沂没有攻克，还损兵折将，伤亡大半，坂垣气得眼冒火星，发誓攻破临沂。这次，他玩弄了一出声东击西的把戏。18日那天，他命令2000余兵力攻打费县。李宗仁不知是计，命令张自忠率部增援费县。当张自忠