一八○师也在16日深夜对敌发起猛攻。攻击小苗家庄的的七一五团刘照华部，以第一、三营担任主攻，第二营为预备队。攻击开始后，在村外遇到日军抵抗，双方展开激战。我军官兵奋勇冲杀，在士气上压倒敌人。敌人退到村中，与我军逐屋争夺，战斗十分惨烈。战到午夜，敌军不支而溃逃，村内遗尸200多具。
与此同时，一八○师还渡河克复了沙岭子、大太平，并乘胜向北追击。17日，敌军集中兵力反扑大太平，被一八○师击退。下午3时日军再次反扑，并曾攻入大太平，被二二八团团附陈芳芝率两个连击退。这时独立三十九旅七一五团乘胜出击，又将大太平北面的几个村子收复。
至此，张、庞两军将进犯临沂的日军第五师团三个团击溃，残敌向莒县方向逃窜，一部向汤头溃退。
17日11时，蒋介石从武昌发电李宗仁、张自忠、庞炳勋，嘉勉临沂大捷。电报说：“临沂捷报频传，殊甚嘉慰。仍希督励所部，确切协同，包围敌人于战场附近而歼灭之。如敌脱逸，须跟踪猛追，开作战以来歼敌之新纪录，籍振国军之气势，有厚望焉。”
此后，冯玉祥、李宗仁、白崇禧、宋哲元、鹿钟麟、熊斌、秦德纯、张之江、徐永昌等人纷纷致电张自忠祝贺。
临沂之捷，五十九军将领，深受鼓舞。
第六部分：泯恩仇再救庞炳勋泯恩仇再救庞炳勋（7）
张自忠在已取得胜利的基础上，18日下令五十九军第三次东渡沂河，分兵两路向敌发起追击。其中，三十八师以一部占领辇沂庄、东庄一线对北警戒，主力攻击汤头及西北；一八○师以一部攻击汤佛堐，主力攻击汤头镇以南之敌。
与此同时，庞炳勋部向傅家草池、山东庄、贾家官庄一带之敌发起攻击。
到19日，三十八师已攻占了沂河东岸及汤头以北的东庄、前湖 和袁家庄。一八○师攻占了汤头以南的日军坚固据点李家五湖。战斗中，我先头部队独立第二十六旅六七八团第二营，遭遇日军增援部队猛烈反扑，赵宏远营长指挥官兵浴血抗击，毫不退让，全部壮烈牺牲。我增援部队赶到，发起猛攻，终将该敌歼灭，克复李家五湖。
同一天，庞炳勋部北进至书家庄一线，并以一部向北迂回贾家官庄日军后方，至此，汤头日军坂本支队已被我军包围，成为瓮中之鳖。这时若五战区能以一部生力军投入，与张、庞两部合力，可全歼坂本支队。但李宗仁错误地令五十九军除一一二旅外，即调费县，准备向泗水、滕县转用，使坂本死里逃生，实在可惜。
到21日，第一次临沂之战结束。
这次临沂之战，张、庞两军共歼敌5 000余人，其中五十九军歼敌约4 000人。日军第五师团第九旅团第十一团团长野佑一郎、第三营营长牟田等数十名军官被五十九军击毙，死伤军官总计多达200余人。其中第十一团第三营被三十八师一一四旅全歼。许多日军尸体来不及运回、烧毁、掩埋。战场上受伤的战马、击毁的坦克、汽车，散落的弹药、衣物、食品、信件及太阳旗、千人缝等物品，到处皆是。从五十九军缴获的战利品中，还发现板垣征四郎本人的呢大衣和印章，可见这位日本“铁军”统帅仓皇逃跑时如漏网之鱼，丧家之犬，狼狈不堪。
五十九军虽然获得胜利，也付出了惨重的代价，据统计从14日至19日，三十八师共有36名军官阵亡，80人负伤，士兵阵亡680人，负伤1 057人；一八○师军官阵亡29人，负伤54人，士兵阵亡341人，负伤1 195人，总计全军共伤亡4 482人，成建制战死者计有独立二十六旅六七八团第二营、一一三旅二二六团第六连、第十连、一一四旅二二七团第十二连。
临沂之战，斩断了北路日军的左臂，粉碎了敌板垣、矶谷两师团会师台儿庄的计划，造成矶谷师团孤军深入为我围歼的契机，从而为台儿庄大捷拉开了序幕。
临沂大捷，大大鼓舞了全国军民的信心。1938年3月21日《大公报》就临沂大捷发表社评指出：“八一三以来，我们军队得到世界不少的赞扬。”“但在去冬，大家自信心还不够，虽勇敢牺牲，只能拼命，而不容易胜利。这些观念，到现在确实推翻了。这就是临沂胜利的最大收获。”“板垣是日阀少壮派的领袖，是关东军的灵魂，是中国最凶猛的敌人。但此次战争，我们确实把他击破击走，消灭其劲旅几千。”这说明：“我们只要有决心，只要运用得力，尽可能消灭敌军的精锐，换言之，火力纵然悬殊，但依然可以消灭他，可以打胜他……。我们并不铺张这一胜利的效果，但确实相信这次胜利，更增加了全国将士的自信心。有了这次胜利，就可能有无数胜利。”
第六部分：泯恩仇再救庞炳勋鼓余勇再战临沂（1）
由于战区司令长官李宗仁指挥有误，失去了歼灭坂本支队的战机，致使日军第五师团获得喘息的机会进行反扑。
21日，张自忠率五十九军主力由临沂直趋滕县，22日晨到达费县附近。此时庞炳勋转来李宗仁电话，命五十九军停止前进，原地待命。张自忠估计临沂战局有变，就一面命部队停止前进，一面派侦察部队返临沂侦察敌情。
原来板垣征四郎大败丧气，正感穷途末路之时，突然得知张自忠部他调，不由得大喜，额手称庆道：“张自忠部调走，真是天助我成功矣。”他忙纠集残部，调派援兵，向临沂发起猖狂反扑。
庞炳勋以疲惫之残部应战，只有招架之功，哪有还手之力，被迫退守原阵地，临沂以东桃园、黄山一线。日军发动猛攻，庞军陷于苦战，局势十分危急，庞炳勋无法，只得向战区一再告急求援。
蒋介石获悉临沂再度告急，即电张自忠：“第五十九军不必向泗水、滕县分转兵力，仍应协力第四十军迅速歼灭临沂北方之敌，以竟全功，而利大局为要。”
五十九军由于牺牲颇重，心情压抑，加之上面指挥失策，我军往返奔波，极为疲惫，对于这朝令夕改的不当指挥颇有怨言。张自忠多方训导，安抚军心，鼓舞士气。张克侠在日记中写道：“军长训话时，官兵皆哭，诚亦伤心事也，多少可爱儿女，已血洒疆场矣！”
23日夜10时，五十九军以强行军向临沂返回。24日下午，五十九军抵达临沂。张自忠入城见庞炳勋。
张自忠的到来，令庞炳勋百感交集。他涕泪横流地对张自忠道：“荩忱，真难为你了。这次他们来得更凶，我几乎快成光杆司令了，实在难以支持。要不是你及时回来，四十军将全军覆灭，临沂势难保全了。”
张自忠此时的心情也很沉重。他向庞炳勋说出这次在路上反复思考的方案：“现在我们已失去了主动权，这是很可惜的。五十九军伤亡很重，此次已不宜再取攻势，应当逼敌侧背，建立阵地，敌人必然回攻，城围自然可解。而我可凭借工事予敌重创，然后再转入攻势，这样较为有利。”
庞炳勋大惊，他误以为张自忠采取守势，意在保全实力，不愿全力相救。他声音颤抖地说：“荩忱，我的队伍已拼得差不多了，这你是知道的。五十九军若不取攻势，我只有全军覆灭了。念咱们西北同源，无论如何请你想想办法。老弟的恩德于公于私我当永志不忘。”
张自忠注意到庞炳勋双眼已哭肿，看来部队伤亡惨重，使他悲痛不已。张自忠看着庞炳勋老泪纵横、布满血丝的双眼，以及他步履蹒跚的龙钟老态，不由得深感同情。他们商定在不利条件下再次发动攻势，以解救庞军之危。
这时蒋介石亲自从徐州打来电话，分别与庞、张谈话，对他们倍加勉励，要求守住临沂，以竟全功，并保证补给不成问题……。
25日，五十九军杀入临沂西北，以迅雷不及掩耳之势攻占了沂庄、南曲坊一带，并扫清了附近残敌。但庞部却传来坏消息，桃园、三官庄等据点均告失守，九曲庄也将不保。
张自忠非常着急，立即派一个团另两个营直接增援四十军，以巩固临沂东侧阵地，另以一部警戒临（沂）费（县）公路，并负责截击敌人。
入夜后，他下令一八○师主力向沂河东岸坡埠、杨家岭发动佯攻，以迷惑、牵制日军，然后命三十八师主力向临沂城北之古城及前后明坡发起突然进攻。日军猝不及防，伤亡惨重，但是很快就稳住了阵势，并出动十几架飞机及大批中型坦克，配合步兵向三十八师发动反扑。我军在毫无凭借的劣势情况下，以血肉之躯与忠贞的意志与日军逐村逐屋展开争夺，打得十分艰苦、惨烈。
战斗打响不久，张自忠就赶至三十八师督战。他的亲临第一线，令官兵士气大振，英勇冲杀，终于攻下古城。
正在这时，临沂以东庞军阵地再度告急，请五十九军增援。张自忠不得不从有限的攻击力量中抽出一一四旅从七沟、七皋强渡沂河，向临沂东侧桃园、独树头、三官庙一线日军发动进攻。但古城方面，日军趁三十八师立足未稳和主力他调之机发起反扑。激战至深夜，古城西部两个大院被敌占领。
张自忠得报后飞骑赶到，立即组织火力进行反攻。他发现敌人所占的一个大院内堆满高粱秸和稻草，便下令用火攻。士兵们将棉花浸饱汽油后绑在手榴弹上，掷向草垛。顿时院内一片火海。当日寇正在惊惶失措时，张自忠下令推倒院墙，发起冲锋，将上百日军全歼院内。另一大院日军见势不妙，狼狈逃走。
张自忠将军部迁到古城，指挥部队向日军阵地进攻。
26日，一一四旅渡河向桃园、三官庙发起攻击，上午攻克桃园。但三官庙庞部构筑工事很坚固，现反为敌军所用，久攻不克，伤亡甚重。下午日军由独树头出动，反攻桃园。同时大部日军向西迂回，过河抄袭五十九军后方。张自忠急向后方义堂集派兵，当晚桃园失守。
经一天激战，一一四旅伤亡大半，官兵伤亡千余人。目睹士兵们死伤相继，张自忠心痛得潸然泪下。
第六部分：泯恩仇再救庞炳勋鼓余勇再战临沂（2）
鉴于一一四旅难以立足河东，军部后方又出现敌情，张自忠决定退守沂河西岸，此时沂河南岸敌情已很严重，占领义堂集的坂本支队第二十一团准备从西北方向进攻临沂，另一支日军渡河到达临沂以北地区；临费公路上，距临沂十公里处又发现千余日军。
张自忠与徐祖诒、庞炳勋紧急磋商，决定缩短战线，东部防卫依旧由庞炳勋四十军担任，五十九军据守八里屯七沟、小岭、古城、任埠一线。军部移驻白衣庄。
徐祖诒电告李宗仁上述情况，并报称，庞军已基本丧失战斗力，临沂主要靠五十九军支撑，但伤亡极重，且极为疲困，士气受到影响，故请速派援军。
李宗仁即派三十二军一三九师黄光华部、五十七军三三三旅及汤恩伯部骑兵团驰援。
27日，板垣征四郎亲自坐镇，指挥第五师团主力向五十九军发动多路进攻，攻击大岭、小岭、北道、南沙埠、古城，为配合这次攻击，还出动了大批飞机、坦克、野炮、山炮。
张自忠东抽西调，分头迎敌。大岭、小岭方面战斗尤为激烈，敌机往复轰炸，并以密集炮火进行轰击，村中房屋着火燃烧，硝烟弥空。日军在炮火掩护下多次发起冲锋。三十八师在此地的一个团和另一个营大部伤亡，阵地岌岌可危。一向沉稳、老练的黄维纲师长，不得不向军部求援。
张自忠命令：“你们要坚决顶住。我们困难，敌人更困难。要坚持最后5分钟！我已命令刘振三师派一个团从诸葛城向敌左侧进攻，支援你师一一二旅方面作战，不久即可到达。”
黄维纲焦急地说：“军长，问题是正面部队有顶不住的样子，眼下实在没人可调了。”
张自忠一瞪眼，发火了：“没有人吗？为什么还有人说话？”
黄师长一听，二话没说，电话一搁，到前线督战去了。
张自忠深知黄维纲的性格，不到万分紧急他不会轻易求援。因此张自忠把手头仅有的军部手枪营和六七六团的二营紧急集合起来，由他亲自率队支援。三十八师官兵见军长亲临督战，士气倍增，战线也稳定下来。
张自忠在阵地上通过观察敌人火力，看出日军右翼较弱。他即命令组织小部队向敌人左翼佯攻，以吸引敌人火力。另以一个加强连组成敢死队由小岭村后悄然绕至敌右侧