1938年2月，日军最精锐的部队之一坂本第5师团主力和伪军刘贵堂约2万人，侵入吉焦线以南的诸城、沂水、莒县，直取临猗。第五战区总指挥李宗仁命令驻守东海、连云港的第三军庞炳勋部火速赶往临沂坚守。
临沂是鲁南重镇，是各条公路的交汇点。南通新安镇至徐海，西南有台儿庄、枣庄，西北有费县、泗水、蒙阴、新泰，东北有莒县、诸城。临沂的战略地位关系到陇海、津浦的安全，也是徐州的重要屏障。日军以坂本师猛攻临沂，正是为了配合伊佐坦尼师进攻台儿庄。
庞部有五个团一万三千多人。到达临沂后，他们的部队部署如下：军部和三十九师司令部驻城南关三乡师校区；第115旅驻城东相公庄；第116旅驻扎在城北诸葛城；在军队附近的集团；骑师在相公庄以东地区。面对敌人的进攻，全体官兵义愤填膺，誓要消灭日本侵略者。然而，随着日军在临沂不断增加兵力，庞炳勋的处境十分危急。23日，莒县失守。3月2日，日军逼近距临沂仅60里的汤头。3日，在从青岛撤退的海军陆战队沈鸿烈部的配合下，庞炳勋部在与敌“苦战并损失惨重”后被迫放弃塘头。汤头失陷后，其南局势骤然紧张，临沂城感到唇亡齿寒。庞炳勋一边反抗，一边呼救。3月10日，约八九千日军和四五百骑兵在20多辆战车、60多辆装甲车、10多架飞机、30多门大炮的强大火力下，开始猛攻临沂。临沂前线，连电都告急。在第五战区，火光熊熊的时候，一份紧急电报命令第五十九军张自忠部增援临沂。同时，为了协调庞炳勋与59军的战斗，第五战区总司令部参谋长徐祖义被派往临沂监督指导前线。当时张自忠部正在进攻济宁、滕县兖州之敌。接到命令后，立即以行军速度出发，于12日到达临沂北郊沂河西岸。到达后，庞炳勋要求59军接管城防。张自忠认为与其消极防御，不如以攻代攻，从敌人背后解决临沂之围。结果，张自忠的建议被采纳了。3月13日夜，59军转战刘家湖、崖头、石家屯后，强渡伊河。14日拂晓，张自忠指挥部队进攻日寇。刘震的3180师在徐的太平和大太平附近被日军以诸葛诚和姜庄河攻击，并在亭子头遭到日军的顽强抵抗。黄维刚38师被朱家棚、川流渡伊河占领，张家庄、解家庄、白塔被攻占。由于600多名日军在飞机、大炮和坦克的掩护下拼命反击，该师被迫退回沂河西岸。与此同时，在沂河东岸的庞炳勋部第四十军第三十九师也开始从正面反攻，向青墩寺、尤家庄一带进攻，于14日晚占领东、西王庄、沙庄。15日晨，庞炳勋部继续前进，占据东、西郑寨子、黄家屯、沈庄、刘行头，同时从右翼派出骑兵迂回董家官庄、沟头。当天，180师攻占亭头，日军向东、向西撤退至湖崖，38师再次渡伊河占领沙岭。16日，日军增加一个旅4000余人，从汤芳崖猛烈进攻沂河西岸张自忠部阵地。10余架敌机轮番轰炸，38师伤亡惨重，但官兵仍坚守阵地。上午10时至17时，日军全力进攻崖头、刘家湖、茶山阵地。在被密集的炮火摧毁后，日军占领了这三个阵地。张自忠催两个旅增援，苦战，多次肉搏战。最后收复了所有丢失的阵地，大部分日军全军覆没。同日，庞炳勋部也发起强大攻势，激战一昼夜，先后占领了尤家庄、傅家屯、东水湖崖、沙河一带，日军退守李家坞湖、傅家池、草坡一线。在.的早晨
由于张自忠59军伤亡惨重，除留一个旅协助庞炳勋镇守临沂外，主力于19日离开临沂，转向费县休整，准备转向泗水、藤县。在敌军强大兵力的攻击下，庞军力耗尽，被迫退守城东桃园、黄山防守。临沂的局势再次变得危急。为确保临沂，清剿庞均，张自忠于25日返回临沂增援，在魏家屯、桃园等地与敌激战，并渡江至沂河占领桃园。3月26日，日军1000余人在十几门大炮的掩护下，迂回至临猗西丰唐毅一带，伺机攻城。张军紧急派重兵保护从娘娘庙到城西的大岭，阻止敌人入侵。但进攻三官庙的张军一部分，因为损失很大，停止了进攻。日军趁机占领了瑛子、甘一庄、沙埠庄等村庄。此时庞炳勋部因为兵力损失过大，已经失去战斗力。九曲店、小李家庄、树卜岭、黄山虽强，河东阵地难支，临猗危急。
3月27日，一支日军于早上7点开始进攻南沙卜庄、孝陵、北岛古城，另一支从蒙阴南下，进攻临猗西南的诸宸镇。28日又加了1000多名敌军，放了十二三炮，配合飞机轮番轰炸临沂城。率39师116旅副旅长崔玉海，率刘231团与保安队守城。其余退守城南，军部也移至九曲至黄山。59军张自忠部在七德、前后七里屯、前后岗头等地构筑阵地，与敌展开血战，歼灭敌军100余人。到3月29日，在日军的猛烈进攻下，临沂危急。王的第五十七军旅、苗的第五战区部驻守海州，赴临沂增援。部队于29日上午到达东高都，于当晚7时向临沂西北十里铺方向进发，向大岭、小岭方向进攻。唐骑兵团也赶来增援，并于下午到达城西的虎子峪，进攻以北地区。敌军伤亡千余人，被迫退守汤头。晚上10点左右，59军再次出击，重创敌军，迫使敌军向北撤退。王的旅沿沂河追击艾山、唐的骑兵团，发动全面反攻。当天晚上，由于临沂久攻不下，台儿庄陷入苦战，日军转移进攻方向，命令临沂日军停止进攻。坂本旅主力的两个步兵联队和一个野炮联队，被抽出夜间南下，赶往台儿庄支援，只留下一个步兵联队和少数炮兵部队在临沂与张、庞对峙。至此，59军伤亡已达一万多人。4月21日，由于台儿庄战事吃紧，张、庞两军相继撤退，临沂被日军占领。
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