当时临沂危在旦夕，庞炳勋部苦战多日，损失惨重，临沂也是岌岌可危，随时有失陷的可能，一旦临沂失守，必然会影响到整个徐州战场的局势。
当时张自忠将军的第五十九军，刚刚从淮南战场北上，准备对兖州一线的敌人发动进攻，张自忠将军接到支援临沂的命令后，立刻率部火速支援临沂。
第五十九军以急行军速度星夜兼程，于12日到达临沂北郊的沂河西岸。庞炳勋将军以为张自忠将军与自己有仇，在此时刻不落井下石就不错了，怎么可能还会来九他们。但是第五十九军却及时赶到了临沂，庞炳勋将军激动的老泪纵横，两人尽弃前嫌，决定携手御敌。
当时第三军团损失惨重，庞炳勋自知无力在坚守临沂，希望张自忠将军的第五十九军能够接手城防，继续坚守。
3月13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。14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。由于日军600余人在飞机、大炮、坦克的掩护下拼命反击，该师被迫退回沂河西岸。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14日晚占领东西旺庄、东西沙庄。15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。
镜头重新回到第五战区司令部，李宗仁司令长官看着面前的沙盘，皱着眉头问道：“现在临沂的战况如何？”
徐祖诒轻轻的叹了口气说道：“日军增兵临沂之后，再次对我军发动了猛烈的进攻。根据张自忠发来的战情通报显示，从昨天晚上十点开始，日军调集重兵，全力攻击崖头、刘家湖、茶叶山阵地，目前这三处阵地已经全部失守。不过张自忠已经急调两个旅的兵力赶往支援，企图夺回失守的阵地。”
李宗仁将军一脸严肃的说道：“电令张自忠，庞炳勋，继续对日军发动进攻，不惜一切代价，夺回失守的阵地，击溃当面之敌，以确保临沂之安全。”
“是！”徐祖诒恭敬的应了一声，随即转身去传达命令去了。
于此同时，在临沂战场上，张自忠指挥所部第五十九军官兵，对日军展开了猛烈的反攻。我英勇的中国士兵，英勇拼杀，与日寇肉搏多次，终于将失守的阵地夺回。
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，日军退守李家五湖、傅家池、草坡一线。到18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，至此经过长达三日的血战之后，进犯临沂的日军终于被我军击溃，进犯临沂的日军第五师团被迫撤退，中队取得临沂大捷。此战张，庞两军，先后歼灭日军四千余人，重创了日军第五师团，成功守住了临沂。