散會後，張自忠立即趕回軍部召集營以上軍官作戰前動員。他說：“龐軍自穆陵關戰鬥以來，與敵拚搏，累經消耗，現在隻有一個完整的旅守城，其餘各部戰鬥力均已很弱。而敵板垣師團是日本陸軍之精銳部隊，自侵華以來，先後犯我察、綏兩省，占領太原，僅在平型關戰役中為郝夢齡軍和第十八集團軍消滅一部，基本未受大的打擊。現在該部部署在臨沂城北至湯頭一線，兵力近萬人。敵自恃武器精良，極為驕橫。不過，我軍在喜峰口、北平、天津、淮北等地已先後與日軍交戰多次。隻要我們能充分發揮我軍善於近戰、夜戰之長處，根據現有條件，集中使用輕重武器，就一定能夠打敗這個驕橫不可一世的板垣，為中國軍隊爭氣，為中華民族爭光，以盡到我們軍人保國為民的天職，即使戰死疆場，也雖死猶生！”他要求各營營長回去馬上加強部隊整備，向全體官兵講明情況，鼓舞士氣。
此時在日軍方麵，第二軍司令官西尾壽造命令第五師團迅速攻取臨沂，然後向嶧縣進發，以配合在津浦線上作戰的第十師團。板垣正奉命加緊對臨沂的進攻。1
麵對這種局麵，張自忠通知龐炳勛，第四十軍從正麵後撤，誘敵深入，使日軍的右側翼暴露在第五十九軍麵前。然後，他在沂河西岸作了攻敵側背的具體部署：
一、第三十八師（欠第一一四旅）為左翼，配屬山炮一連、平射炮一連、高射炮2門，於14日拂曉前，以一旅展開於東喜沂莊南北之線，攻占白塔，阻止湯頭之敵南進。以一旅確占茶葉山附近之石家屯高地，對前後細腰、塔橋方麵相機渡河佯攻，以牽製葛溝、湯頭之敵。
二、第一八○師為右翼，配屬野山炮各一連、平射炮一連、高射炮2門，即於14日拂曉前，展開於孫家莊、孟家村南北之線，以主力對徐家太平、沙嶺攻擊。
三、第一一四旅及特務團為總預備隊，位置於小薑莊、官莊、南曲坊一帶。2
另外，第四十軍也以主力由沂河東岸與第五十九軍相呼應，包圍敵之主力殲滅之；在沂河西岸之一部則渡河側擊尤家莊附近之敵。到13日晚，以上各部均已準備就緒。
14日淩晨2時，第五十九軍以迅雷不及掩耳之勢向敵發起了猛烈的攻擊。此前，敵隻專攻第四十軍龐炳勛部，似乎並未察覺第五十九軍業已集結完畢，故此舉為敵所始料不及，因而立刻陷入被前後夾擊、首尾難顧的被動局麵，這時，敵人方如夢初醒，遂放棄進攻臨沂城，調轉頭來同第五十九軍作戰。於是，雙方在沂河兩岸拉開架勢，反覆衝殺，戰線曲伸，犬牙交錯，形成了逐村、逐戶的爭奪拉鋸戰。
左翼第三十八師由船流、朱家棚莊強渡沂河後，即攻擊張家莊、解家莊之敵，經數小時激戰，方占領張、解二村。繼而向白塔、湯佛崖進擊。但因敵主力據守白塔，遂演成爭奪戰，得而復失數次，終被攻克。湯佛崖也相繼被我占領。然而敵人不甘心失利，於午後l時，由湯頭增援來汽車17輛，步兵約五六百人，炮八九門，並有裝甲車4輛，飛機4架，步炮空聯合向我張家莊、解家莊猛烈反攻。雙方展開了激戰，往來幾個回合後，第三十八師傷亡400餘人，被迫放棄陣地，撤至沂河西岸。張自忠聞訊大怒，當即將作戰不力的第一一二旅旅長李金鎮撤職。
右翼第一八○師由諸葛、古城、前安靜村強渡沂河後，一路向徐太平及沙嶺方麵，一路向太平及停子頭方麵攻擊，激戰數小時，遂將徐太平、小太平、郭家太平、李家太平、沙嶺、大太平等村先後占領。唯停子頭之敵據碉堡頑抗，經奮勇攻擊並以炮火協助，始攻進該村。然而在我立足未穩之際，敵增援部隊趕到，遂演成爭奪戰。激戰至午，敵後路中斷，特由湯頭及我第四十軍正麵抽調大隊增援，以裝甲車20餘輛，坦克10餘輛，炮10餘門，步兵四五百人聯合向大太平等村反攻。血戰竟日，大太平、沙嶺等村失而復得者數次。入夜，敵又以步兵五六百人，在坦克、裝甲車配合下，朝郭家太平、大太平反攻。第一八○師奮勇抗擊，將侵入村內之敵殲滅大半，餘者則向東莊屯潰退。一晝夜間，第一八○師斃敵甚眾，但該師也傷亡800餘人。由於右翼進展較為順利，張自忠命令第一八○師不得停頓，15日繼續向東西水湖崖地區進攻。
退回河西的第三十八師稍事整頓後，張自忠即下達命令：於15日以主力攻占沙嶺，以一部向白塔、湯佛崖方麵進攻，阻止由湯頭南下之敵。
14日，龐炳勛部第四十軍配合張自忠第五十九軍，沿沂河東岸向北進擊，占領甘屯、寇屯，一部對尤莊、柳行頭，主力向相公莊方麵迂迴攻擊中。
15日晨，計劃正在實施中，戰局突然發生了重大變化；地處沂水之東的日軍主力分別由塔橋、車莊偷渡沂河，到達西岸，在2輛坦克、10輛裝甲車以及數門大炮的配合下，向我第五十九軍的左翼陣地——茶葉山附近的石家屯高地發起了猛烈進攻，企圖占領製高點，並一度侵入茶葉山，威脅我整個第五十九軍。鑑於情況有變，張自忠急調已經渡河的第三十八師迅速撤回河西，阻擊過河日軍。
本日，第四十軍已進至平墩湖、曹家丹、東西張官莊、前後河灣之線，於次日重點向大小劉寨方麵進攻。
16日晨6時，敵由莒縣開來增援部隊千餘名，並由我第四十軍正麵東莊屯一帶抽調大部，在其炮火的掩護下，又向我釣魚台亙石家屯高地之線攻擊，並以飛機10架向我崖頭、茶葉山一帶狂轟濫炸，陣地悉被炸平。我守茶葉山之第五十九軍第三十八師二二五團之第七連全部陣亡。守崖頭之第二二五團兩連僅剩數十名，該兩連官兵奮不顧身，毅然揮刀衝鋒，卒將敵擊退，恢復原有陣地。
此時在日軍方麵，第二軍司令官西尾壽造命令第五師團迅速攻取臨沂，然後向嶧縣進發，以配合在津浦線上作戰的第十師團。板垣正奉命加緊對臨沂的進攻。1
麵對這種局麵，張自忠通知龐炳勛，第四十軍從正麵後撤，誘敵深入，使日軍的右側翼暴露在第五十九軍麵前。然後，他在沂河西岸作了攻敵側背的具體部署：
一、第三十八師（欠第一一四旅）為左翼，配屬山炮一連、平射炮一連、高射炮2門，於14日拂曉前，以一旅展開於東喜沂莊南北之線，攻占白塔，阻止湯頭之敵南進。以一旅確占茶葉山附近之石家屯高地，對前後細腰、塔橋方麵相機渡河佯攻，以牽製葛溝、湯頭之敵。
二、第一八○師為右翼，配屬野山炮各一連、平射炮一連、高射炮2門，即於14日拂曉前，展開於孫家莊、孟家村南北之線，以主力對徐家太平、沙嶺攻擊。
三、第一一四旅及特務團為總預備隊，位置於小薑莊、官莊、南曲坊一帶。2
另外，第四十軍也以主力由沂河東岸與第五十九軍相呼應，包圍敵之主力殲滅之；在沂河西岸之一部則渡河側擊尤家莊附近之敵。到13日晚，以上各部均已準備就緒。
14日淩晨2時，第五十九軍以迅雷不及掩耳之勢向敵發起了猛烈的攻擊。此前，敵隻專攻第四十軍龐炳勛部，似乎並未察覺第五十九軍業已集結完畢，故此舉為敵所始料不及，因而立刻陷入被前後夾擊、首尾難顧的被動局麵，這時，敵人方如夢初醒，遂放棄進攻臨沂城，調轉頭來同第五十九軍作戰。於是，雙方在沂河兩岸拉開架勢，反覆衝殺，戰線曲伸，犬牙交錯，形成了逐村、逐戶的爭奪拉鋸戰。
左翼第三十八師由船流、朱家棚莊強渡沂河後，即攻擊張家莊、解家莊之敵，經數小時激戰，方占領張、解二村。繼而向白塔、湯佛崖進擊。但因敵主力據守白塔，遂演成爭奪戰，得而復失數次，終被攻克。湯佛崖也相繼被我占領。然而敵人不甘心失利，於午後l時，由湯頭增援來汽車17輛，步兵約五六百人，炮八九門，並有裝甲車4輛，飛機4架，步炮空聯合向我張家莊、解家莊猛烈反攻。雙方展開了激戰，往來幾個回合後，第三十八師傷亡400餘人，被迫放棄陣地，撤至沂河西岸。張自忠聞訊大怒，當即將作戰不力的第一一二旅旅長李金鎮撤職。
右翼第一八○師由諸葛、古城、前安靜村強渡沂河後，一路向徐太平及沙嶺方麵，一路向太平及停子頭方麵攻擊，激戰數小時，遂將徐太平、小太平、郭家太平、李家太平、沙嶺、大太平等村先後占領。唯停子頭之敵據碉堡頑抗，經奮勇攻擊並以炮火協助，始攻進該村。然而在我立足未穩之際，敵增援部隊趕到，遂演成爭奪戰。激戰至午，敵後路中斷，特由湯頭及我第四十軍正麵抽調大隊增援，以裝甲車20餘輛，坦克10餘輛，炮10餘門，步兵四五百人聯合向大太平等村反攻。血戰竟日，大太平、沙嶺等村失而復得者數次。入夜，敵又以步兵五六百人，在坦克、裝甲車配合下，朝郭家太平、大太平反攻。第一八○師奮勇抗擊，將侵入村內之敵殲滅大半，餘者則向東莊屯潰退。一晝夜間，第一八○師斃敵甚眾，但該師也傷亡800餘人。由於右翼進展較為順利，張自忠命令第一八○師不得停頓，15日繼續向東西水湖崖地區進攻。
退回河西的第三十八師稍事整頓後，張自忠即下達命令：於15日以主力攻占沙嶺，以一部向白塔、湯佛崖方麵進攻，阻止由湯頭南下之敵。
14日，龐炳勛部第四十軍配合張自忠第五十九軍，沿沂河東岸向北進擊，占領甘屯、寇屯，一部對尤莊、柳行頭，主力向相公莊方麵迂迴攻擊中。
15日晨，計劃正在實施中，戰局突然發生了重大變化；地處沂水之東的日軍主力分別由塔橋、車莊偷渡沂河，到達西岸，在2輛坦克、10輛裝甲車以及數門大炮的配合下，向我第五十九軍的左翼陣地——茶葉山附近的石家屯高地發起了猛烈進攻，企圖占領製高點，並一度侵入茶葉山，威脅我整個第五十九軍。鑑於情況有變，張自忠急調已經渡河的第三十八師迅速撤回河西，阻擊過河日軍。
本日，第四十軍已進至平墩湖、曹家丹、東西張官莊、前後河灣之線，於次日重點向大小劉寨方麵進攻。
16日晨6時，敵由莒縣開來增援部隊千餘名，並由我第四十軍正麵東莊屯一帶抽調大部，在其炮火的掩護下，又向我釣魚台亙石家屯高地之線攻擊，並以飛機10架向我崖頭、茶葉山一帶狂轟濫炸，陣地悉被炸平。我守茶葉山之第五十九軍第三十八師二二五團之第七連全部陣亡。守崖頭之第二二五團兩連僅剩數十名，該兩連官兵奮不顧身，毅然揮刀衝鋒，卒將敵擊退，恢復原有陣地。