四、第一八○師劉振三師長和祁光遠旅長親到諸葛城一線指揮，將所有炮彈射完之後，即令第七一五團全團向苗家莊之敵攻擊。
五、第二十六旅張宗衡旅長率全旅在劉家湖、苗家莊之間及時策應兩師作戰。1
命令下達後，兩師按時完成出擊準備。
入夜之後，炮火連天，槍聲大作，第五十九軍全部出動，餓虎撲食般地向茶葉山、劉家湖、小苗家莊、船流、崖頭等十多個村莊同時撲去。
第一一四旅第二二七團主攻茶葉山，炮火掃過之後，第二二七團實行強攻，將茶葉山拿下，但敵人打得也很靈活，在強大炮火的掩護下，多次向我陣地反撲，並攻占了茶葉山的一個高地。第二營營長冉德明遂帶領全營在炮火和機槍的掩護下，成縱隊向高地突擊；同時，第三營營長陸文龍也帶領全營包抄敵人左側背。經過一晝夜的激烈戰鬥，敵終感不支，朝白塔方向退去，我軍完全克復茶葉山。此次戰鬥中，第二營營長冉德明陣亡，第一營營長劉同福、第三營營長陸文龍均負傷，各連、排長傷亡2/3，士兵傷亡過半。與此同時，第一一三旅的第二二五團和第二二六團也與敵激戰後，收復了茶葉山以左的山地。
第一一四旅第二二八團主攻劉家湖，戰鬥更為激烈。劉家湖是日軍的補給點，存儲軍用物資甚多，敵以有力部隊守衛。但敵很輕視我軍，夜間隻派遊動崗哨，其餘人則蒙頭大睡。入夜時分，第二二八團團長劉文修先派一偵察排潛入村內，破壞交通，襲擊敵指揮部，另以一營擔任主攻。當我軍向村內猛撲時，敵軍猝不及防，亂成一片，紛紛退集村子北部的炮樓裏負隅頑抗。雙方僵持，互有進退，劉家湖曾4次易手，師部又調來一團增援，在迫擊炮、手榴彈的集中轟擊下，敵人被逼到村西北角的一個院落裏，劉文修將兩團兵力集結起來，一齊朝院落撲去，終將敵人大部消滅，少數殘敵逃往湯頭，丟下400多具屍體。
第一八○師第七一五團主攻苗家莊。第七一五團團長劉照華以第一營孫瑞芳部、第三營陳芳芝部為主攻部隊。攻擊開始後，在村外遇到敵人的頑強抵抗，雙方展開激戰。我軍個個奮勇當先，將敵壓迫到村內，逐屋爭奪，白刃肉搏。村內槍聲大作，殺聲震天，直至午夜，敵方招架不住，落荒而逃。據查，敵遺屍近200具，按以往習慣，日軍在戰場上遺屍極少，即使不能運走，也要割取戰死者的一個手指或一隻耳朵，回去交給他們的親屬。但這次戰鬥，敵連割掉他們戰死者一個手指、一隻耳朵都來不及，即倉皇逃命去了，可見戰鬥之激烈及我軍之兇猛。
在沙嶺、大太平、崖頭、船流、鳳儀官莊等處，一幅激戰肉搏、你拚我殺的場景在同時上映著。我軍浩然正氣，敵軍狼狽而逃，各個村莊，逐一收復。
同時，第四十軍被第五十九軍的猛烈攻勢所鼓舞，也向敵之側背發起進攻，奪取敵後方兵站尤莊子。固守九曲店之補充團亦發動攻勢，猛擊敵群。敵因主力已被擊潰，無心戀戰，紛紛逃遁，我方乘勝追擊，斬獲頗多。
至此，中國軍隊將進犯臨沂的日軍全部擊潰，殘敵倉皇向湯頭、莒縣方向逃竄。
蔣介石聞悉臨沂大勝，立即於17日夜致電祝捷。電曰：
即到。徐州李長官、臨沂龐軍團長、張軍長：勉密。臨沂捷報頻傳，殊堪嘉慰。仍希督勵所部確切協同包圍敵人於戰場附近而殲滅之。如敵脫逸須跟蹤猛追，開作戰以來之殲敵新記錄，藉振國軍之氣勢，有厚望焉。中○。17·11。令一元。1
從18日起，我軍乘勝追擊，目標是將退守湯頭之敵圍而殲之。湯頭在臨沂城北90裏，為通莒縣之大道。為此，第五十九軍東渡沂河，以第三十八師為左翼，占領袁家莊，繞至前湖崖，從北側包圍湯頭之敵；以第一八○師為右翼，攻取湯佛崖，占領李家五湖，從南麵包圍湯頭之敵。同時，第四十軍龐炳勛部也由東、西水湖崖一帶向北進至書家莊一線，並以一部向敵之後方賈家莊一帶迂迴，從東側包抄湯頭之敵。此時，日軍阪本支隊已陷入重圍，成甕中之鱉。正待我兩軍協力，下手捉鱉之時，20日晚12時，第五戰區司令長官李宗仁突然來電，命令第五十九軍停止攻擊，著留一旅歸龐炳勛指揮，拒止臨沂以北之敵，餘即開赴費縣，用於攻擊磯穀師團之左側背，策應台兒莊正麵作戰。麵對到手的獵物，張自忠好不惋惜，隻好留下第一一二旅協同龐軍守城，主力部隊於21日午後5時冒雨向費縣開進。
至此，臨沂序戰即告結束。
此次臨沂作戰，殲敵3000餘人，板垣師團第九旅團第十一聯隊隊長野裕一郎大佐、第三大隊長牟田中佐及第九中隊長中村等人被擊斃。它斬斷了華北日軍的左臂，造成了磯穀師團孤軍深入的態勢，為台兒莊大捷奠定了基礎。李宗仁指出：“臨沂一役最大的收穫，是將板垣、磯穀兩師團擬在台兒莊會師的計劃徹底粉碎，造成爾後台兒莊血戰時，磯穀師團孤軍深入，為我圍殲的契機。”“臨沂之捷，實為台兒莊勝利的先決條件。”2
臨沂戰役不僅為台兒莊大捷奠定了基礎，而且對整個中華民族的抗戰事業也發生了重大影響。1938年3月21日，《大公報》社評《臨沂之戰》指出：“八一三以來，我們軍隊得到世界不少的讚揚。特別如上海三個月的勇敢戰鬥，如南口之役，如平型關之役、如淮上之役，此外還有許多可歌可泣的局部勝利。但在去冬，大家自信心還不夠，雖勇敢犧牲，但不能盡免於悲觀心理。”這是由於“有不易克服的一種觀念，是因為火力懸殊之故，我們隻能犧牲，隻能拚命，而不容易勝利。這些觀念，到現在確實推翻了。這就是臨沂勝利的最大收穫”。“板垣是日閥少壯派的領袖，是關東軍的靈魂，是中國最兇猛的敵人。但此次戰爭，我們確實把它擊破擊走，消滅其勁旅幾千”。這就證明了一點：“我們隻要決心，隻要運用得宜，盡可以消滅敵軍的精銳，換言之，火力縱然懸殊，但依然可以消滅他，可以戰勝他。”“我們並不鋪張這一勝利的效果，但確實相信這個勝利，更增加了全國將士的自信心。有這一勝利，就可能有無數勝利。”
五、第二十六旅張宗衡旅長率全旅在劉家湖、苗家莊之間及時策應兩師作戰。1
命令下達後，兩師按時完成出擊準備。
入夜之後，炮火連天，槍聲大作，第五十九軍全部出動，餓虎撲食般地向茶葉山、劉家湖、小苗家莊、船流、崖頭等十多個村莊同時撲去。
第一一四旅第二二七團主攻茶葉山，炮火掃過之後，第二二七團實行強攻，將茶葉山拿下，但敵人打得也很靈活，在強大炮火的掩護下，多次向我陣地反撲，並攻占了茶葉山的一個高地。第二營營長冉德明遂帶領全營在炮火和機槍的掩護下，成縱隊向高地突擊；同時，第三營營長陸文龍也帶領全營包抄敵人左側背。經過一晝夜的激烈戰鬥，敵終感不支，朝白塔方向退去，我軍完全克復茶葉山。此次戰鬥中，第二營營長冉德明陣亡，第一營營長劉同福、第三營營長陸文龍均負傷，各連、排長傷亡2/3，士兵傷亡過半。與此同時，第一一三旅的第二二五團和第二二六團也與敵激戰後，收復了茶葉山以左的山地。
第一一四旅第二二八團主攻劉家湖，戰鬥更為激烈。劉家湖是日軍的補給點，存儲軍用物資甚多，敵以有力部隊守衛。但敵很輕視我軍，夜間隻派遊動崗哨，其餘人則蒙頭大睡。入夜時分，第二二八團團長劉文修先派一偵察排潛入村內，破壞交通，襲擊敵指揮部，另以一營擔任主攻。當我軍向村內猛撲時，敵軍猝不及防，亂成一片，紛紛退集村子北部的炮樓裏負隅頑抗。雙方僵持，互有進退，劉家湖曾4次易手，師部又調來一團增援，在迫擊炮、手榴彈的集中轟擊下，敵人被逼到村西北角的一個院落裏，劉文修將兩團兵力集結起來，一齊朝院落撲去，終將敵人大部消滅，少數殘敵逃往湯頭，丟下400多具屍體。
第一八○師第七一五團主攻苗家莊。第七一五團團長劉照華以第一營孫瑞芳部、第三營陳芳芝部為主攻部隊。攻擊開始後，在村外遇到敵人的頑強抵抗，雙方展開激戰。我軍個個奮勇當先，將敵壓迫到村內，逐屋爭奪，白刃肉搏。村內槍聲大作，殺聲震天，直至午夜，敵方招架不住，落荒而逃。據查，敵遺屍近200具，按以往習慣，日軍在戰場上遺屍極少，即使不能運走，也要割取戰死者的一個手指或一隻耳朵，回去交給他們的親屬。但這次戰鬥，敵連割掉他們戰死者一個手指、一隻耳朵都來不及，即倉皇逃命去了，可見戰鬥之激烈及我軍之兇猛。
在沙嶺、大太平、崖頭、船流、鳳儀官莊等處，一幅激戰肉搏、你拚我殺的場景在同時上映著。我軍浩然正氣，敵軍狼狽而逃，各個村莊，逐一收復。
同時，第四十軍被第五十九軍的猛烈攻勢所鼓舞，也向敵之側背發起進攻，奪取敵後方兵站尤莊子。固守九曲店之補充團亦發動攻勢，猛擊敵群。敵因主力已被擊潰，無心戀戰，紛紛逃遁，我方乘勝追擊，斬獲頗多。
至此，中國軍隊將進犯臨沂的日軍全部擊潰，殘敵倉皇向湯頭、莒縣方向逃竄。
蔣介石聞悉臨沂大勝，立即於17日夜致電祝捷。電曰：
即到。徐州李長官、臨沂龐軍團長、張軍長：勉密。臨沂捷報頻傳，殊堪嘉慰。仍希督勵所部確切協同包圍敵人於戰場附近而殲滅之。如敵脫逸須跟蹤猛追，開作戰以來之殲敵新記錄，藉振國軍之氣勢，有厚望焉。中○。17·11。令一元。1
從18日起，我軍乘勝追擊，目標是將退守湯頭之敵圍而殲之。湯頭在臨沂城北90裏，為通莒縣之大道。為此，第五十九軍東渡沂河，以第三十八師為左翼，占領袁家莊，繞至前湖崖，從北側包圍湯頭之敵；以第一八○師為右翼，攻取湯佛崖，占領李家五湖，從南麵包圍湯頭之敵。同時，第四十軍龐炳勛部也由東、西水湖崖一帶向北進至書家莊一線，並以一部向敵之後方賈家莊一帶迂迴，從東側包抄湯頭之敵。此時，日軍阪本支隊已陷入重圍，成甕中之鱉。正待我兩軍協力，下手捉鱉之時，20日晚12時，第五戰區司令長官李宗仁突然來電，命令第五十九軍停止攻擊，著留一旅歸龐炳勛指揮，拒止臨沂以北之敵，餘即開赴費縣，用於攻擊磯穀師團之左側背，策應台兒莊正麵作戰。麵對到手的獵物，張自忠好不惋惜，隻好留下第一一二旅協同龐軍守城，主力部隊於21日午後5時冒雨向費縣開進。
至此，臨沂序戰即告結束。
此次臨沂作戰，殲敵3000餘人，板垣師團第九旅團第十一聯隊隊長野裕一郎大佐、第三大隊長牟田中佐及第九中隊長中村等人被擊斃。它斬斷了華北日軍的左臂，造成了磯穀師團孤軍深入的態勢，為台兒莊大捷奠定了基礎。李宗仁指出：“臨沂一役最大的收穫，是將板垣、磯穀兩師團擬在台兒莊會師的計劃徹底粉碎，造成爾後台兒莊血戰時，磯穀師團孤軍深入，為我圍殲的契機。”“臨沂之捷，實為台兒莊勝利的先決條件。”2
臨沂戰役不僅為台兒莊大捷奠定了基礎，而且對整個中華民族的抗戰事業也發生了重大影響。1938年3月21日，《大公報》社評《臨沂之戰》指出：“八一三以來，我們軍隊得到世界不少的讚揚。特別如上海三個月的勇敢戰鬥，如南口之役，如平型關之役、如淮上之役，此外還有許多可歌可泣的局部勝利。但在去冬，大家自信心還不夠，雖勇敢犧牲，但不能盡免於悲觀心理。”這是由於“有不易克服的一種觀念，是因為火力懸殊之故，我們隻能犧牲，隻能拚命，而不容易勝利。這些觀念，到現在確實推翻了。這就是臨沂勝利的最大收穫”。“板垣是日閥少壯派的領袖，是關東軍的靈魂，是中國最兇猛的敵人。但此次戰爭，我們確實把它擊破擊走，消滅其勁旅幾千”。這就證明了一點：“我們隻要決心，隻要運用得宜，盡可以消滅敵軍的精銳，換言之，火力縱然懸殊，但依然可以消滅他，可以戰勝他。”“我們並不鋪張這一勝利的效果，但確實相信這個勝利，更增加了全國將士的自信心。有這一勝利，就可能有無數勝利。”