望著龐炳勛那張憔悴的老臉和紅腫的雙眼，想想一個月來，第四十軍也確實是戰得兵損將稀，難怪他如此這般不依不饒，苦苦哀求。一絲憐憫和同情不由得在張自忠這個山東硬漢的心中隱隱纏繞。於是他斷然改變了主張，盡管條件極為不利，也要全力發動進攻，二解臨沂之圍。
由於條件極為不利，二戰臨沂顯然不似前次那樣得心應手。敵層層增援，多路進攻，致使戰火此伏彼起，戰場左轉右移。
先是古城戰火紛飛。
兩軍會商之後，張自忠馬上製定了作戰計劃。鑑於敵之主力在沂河東岸，擬以一部推進於臨沂以東（即沂河東岸）協力龐軍作戰，而第五十九軍主力則展開於臨沂城北、沂河西岸的明坡、古城一線，將當麵之敵肅清後，再行右旋迴，渡河包圍沂河東岸之敵而殲滅之。據此方案，24日晚，張自忠下達如下命令：
一、第三十八師即於本夜驅逐古城村以北之敵，便衣隊於明早拂曉推進古城村、明王坡一帶，並以一團對停子頭、各太平一帶之敵襲擊。
二、第一八○師即以一團，於明早3時推進臨沂以東之馬家湖、義和莊一帶，對劉黑墩、翟莊、楊家嶺、坡埠佯攻，餘集結待命。
三、特務團（欠炮兵）隨軍部位置於古城。2
命令下達後，當晚各部便分別開始動作。
是夜，第三十八師以迅雷不及掩耳之勢向東、西明坡及古城之敵發動了突然襲擊。敵猝不及防，陣腳大亂，我不發一彈，揮刃衝殺。敵軍慌亂，被砍殺甚眾。於25日晨，即將古城一帶占領。但敵增援部隊很快就趕到，十幾架飛機輪番轟炸、掃射，大批步兵在坦克的掩護下將古城村三麵包圍，發起了猛烈的反攻，第三十八師奮起反擊，憑屋據垣節節抵抗。張自忠將集結待命的第一八○師也逐次增援到古城戰場，激戰終日，才將反攻之敵擊退。此時，適逢龐炳勛第四十軍陣地告急，為確保臨沂，張自忠急令第三十八師抽調三個團的兵力，於25日晚8時分別自七溝、朱皋強渡沂河，向臨沂東北的三官廟、桃園、獨樹頭一線的敵軍發起進攻，以解龐軍之圍。而古城方麵，敵趁我抽兵他調之機又發起反撲。激戰三個小時之後，敵搶占了寨西的兩個大院，其中一個院子裏堆滿了高粱和穀子的秸稈，我軍官兵即將整捆的秫秸點上火，投向院內，繼而又將拋彈筒和手榴彈投將進去，頓時院內大火熊熊。士兵們趁勢將院牆推倒，發起衝鋒。敵見勢不妙，倉皇潰逃。隨後，張自忠將軍部移至古城，指揮部隊繼續對敵實施攻擊。
繼而桃園爭奪激烈。
再說沂河東岸，敵用猛烈炮火掩護步兵向九曲店、趙家莊、褚家莊、小李家莊之線數次突擊。第四十軍竭力抵抗，但傷亡慘重，情況相當危急。恰逢此時，第五十九軍第三十八師的三個團前來增援，攻三官廟、桃園、獨樹頭一線，抄襲敵背。於26日上午攻克桃園，復南下向三官廟進攻。但三官廟第四十軍原築工事甚堅，現反為敵所利用，故久攻不克，損失奇重。這時，敵又調大批援軍由身後獨樹頭壓迫而來，並集中炮火向我襲擊，第三十八師的一個團浴血奮戰，傷亡殆盡。同時敵飛機4架，重炮數門，向我桃園猛烈轟炸，陣地均被擊毀。桃園部隊彈盡援絕，白刃格鬥，大部壯烈犧牲，不得已於26日晚復撤至沂河西岸。此役雖使臨沂之圍得解，第三十八師渡河的三個團卻傷亡2000之眾。
此時，整個戰局更加緊急：敵步兵、炮兵三四千人，西渡沂河向第五十九軍左翼運動，已到達臨沂以北地區；新由高密增援而來的敵鈴木聯隊亦渡河西進，先頭部隊已到達義堂集附近；同時，在臨（臨沂）費（費縣）公路距臨沂20裏處又發現敵軍千餘，臨沂城現已在敵炮有效射程之內。而我第四十軍已基本喪失戰鬥力，臨沂局麵主要靠第五十九軍支撐，但也因苦戰經旬，傷亡過半。此種敵我力量對比，我方若不增派援軍，臨沂恐再難守。26日晚，張、龐再度緊急會商，戰區參謀長徐祖詒將情況告知李宗仁。李宗仁聞報後，立即派繆澂流第五十七軍第三三三旅王肇治部火速增援，歸龐炳勛指揮；派湯恩伯第二十軍團騎兵團李之山部亦行前往，歸張自忠指揮，限兩日內趕到。兩日後，又派周碞第七十五軍第一三九師黃光華部增援臨沂。
再則小嶺喋血抗戰。
27日早7時，集結於義堂集附近的敵鈴木聯隊，兵分三路向第五十九軍發起進攻：一路由二十裏舖、大嶺向我小嶺攻擊，一路經由響河屯攻我南沙埠，一路經城後攻我古城。其中尤以小嶺方麵戰鬥最為激烈。敵派飛機6架，往復盤旋轟炸，村中房屋全被炸毀，濃煙滾滾，火焰烈烈。第三十八師守軍因無所依據，陣地曾一度失陷，但敵立足未穩，陣地旋復奪回。於是敵之攻勢更加猛烈，第三十八師守軍大部傷亡。眼看陣地又將不守，師長黃維綱不得不向張自忠請援，張自忠說：“你們要堅決頂住！我們困難時，敵人更困難。要堅持最後五分鍾！我已命令第一八○師派一個團從諸葛城向敵左側進攻，支援第一一二旅方麵作戰，不久即可到達。”黃維綱焦急地回答說：“問題是正麵部隊有頂不住的樣子。眼下這裏實在無人可調了！”張自忠這個從不示弱的硬漢，一聽此言，怒火中燒：“沒有人了怎麽還在說話！”黃維綱聽罷，二話沒說，放下話筒就奔第一線督戰。可張自忠話雖這麽說，他也深知黃維綱的為人，不到萬不得已的時候，他是不輕易求援的。於是放下話筒後，便立即親率保衛軍部的手槍營和第六七六團第二營前往赴援。到達前線後，他登上南道、北道的小高地，舉起望遠鏡仔細地觀察敵情。這時，敵軍似乎有所察覺，連珠般的炮彈射來，在他周圍紛紛爆炸。可再看他，似鋼澆鐵鑄一般紋絲不動。這等沉著立即使軍心大穩。通過觀察，他發現了敵軍的破綻：其左翼攻勢猛烈，右翼則火力較弱。他命令一部對左翼佯攻，吸引敵人火力；另一部組成敢死隊，對敵之右翼發動襲擊。身佩大刀的敢死隊員個個膀大腰圓，刀法嫻熟。朦朧夜色中，他們由小嶺村後秘密繞至敵後背，敵全然不察。突然間，神兵似從天降，敢死隊大刀掄圓，寒光閃閃，敵身首異處，人仰馬翻，倖存者失魂落魄，四下逃竄。此時，正麵守軍趁機大舉反擊，日軍全線崩潰，落荒而逃。
由於條件極為不利，二戰臨沂顯然不似前次那樣得心應手。敵層層增援，多路進攻，致使戰火此伏彼起，戰場左轉右移。
先是古城戰火紛飛。
兩軍會商之後，張自忠馬上製定了作戰計劃。鑑於敵之主力在沂河東岸，擬以一部推進於臨沂以東（即沂河東岸）協力龐軍作戰，而第五十九軍主力則展開於臨沂城北、沂河西岸的明坡、古城一線，將當麵之敵肅清後，再行右旋迴，渡河包圍沂河東岸之敵而殲滅之。據此方案，24日晚，張自忠下達如下命令：
一、第三十八師即於本夜驅逐古城村以北之敵，便衣隊於明早拂曉推進古城村、明王坡一帶，並以一團對停子頭、各太平一帶之敵襲擊。
二、第一八○師即以一團，於明早3時推進臨沂以東之馬家湖、義和莊一帶，對劉黑墩、翟莊、楊家嶺、坡埠佯攻，餘集結待命。
三、特務團（欠炮兵）隨軍部位置於古城。2
命令下達後，當晚各部便分別開始動作。
是夜，第三十八師以迅雷不及掩耳之勢向東、西明坡及古城之敵發動了突然襲擊。敵猝不及防，陣腳大亂，我不發一彈，揮刃衝殺。敵軍慌亂，被砍殺甚眾。於25日晨，即將古城一帶占領。但敵增援部隊很快就趕到，十幾架飛機輪番轟炸、掃射，大批步兵在坦克的掩護下將古城村三麵包圍，發起了猛烈的反攻，第三十八師奮起反擊，憑屋據垣節節抵抗。張自忠將集結待命的第一八○師也逐次增援到古城戰場，激戰終日，才將反攻之敵擊退。此時，適逢龐炳勛第四十軍陣地告急，為確保臨沂，張自忠急令第三十八師抽調三個團的兵力，於25日晚8時分別自七溝、朱皋強渡沂河，向臨沂東北的三官廟、桃園、獨樹頭一線的敵軍發起進攻，以解龐軍之圍。而古城方麵，敵趁我抽兵他調之機又發起反撲。激戰三個小時之後，敵搶占了寨西的兩個大院，其中一個院子裏堆滿了高粱和穀子的秸稈，我軍官兵即將整捆的秫秸點上火，投向院內，繼而又將拋彈筒和手榴彈投將進去，頓時院內大火熊熊。士兵們趁勢將院牆推倒，發起衝鋒。敵見勢不妙，倉皇潰逃。隨後，張自忠將軍部移至古城，指揮部隊繼續對敵實施攻擊。
繼而桃園爭奪激烈。
再說沂河東岸，敵用猛烈炮火掩護步兵向九曲店、趙家莊、褚家莊、小李家莊之線數次突擊。第四十軍竭力抵抗，但傷亡慘重，情況相當危急。恰逢此時，第五十九軍第三十八師的三個團前來增援，攻三官廟、桃園、獨樹頭一線，抄襲敵背。於26日上午攻克桃園，復南下向三官廟進攻。但三官廟第四十軍原築工事甚堅，現反為敵所利用，故久攻不克，損失奇重。這時，敵又調大批援軍由身後獨樹頭壓迫而來，並集中炮火向我襲擊，第三十八師的一個團浴血奮戰，傷亡殆盡。同時敵飛機4架，重炮數門，向我桃園猛烈轟炸，陣地均被擊毀。桃園部隊彈盡援絕，白刃格鬥，大部壯烈犧牲，不得已於26日晚復撤至沂河西岸。此役雖使臨沂之圍得解，第三十八師渡河的三個團卻傷亡2000之眾。
此時，整個戰局更加緊急：敵步兵、炮兵三四千人，西渡沂河向第五十九軍左翼運動，已到達臨沂以北地區；新由高密增援而來的敵鈴木聯隊亦渡河西進，先頭部隊已到達義堂集附近；同時，在臨（臨沂）費（費縣）公路距臨沂20裏處又發現敵軍千餘，臨沂城現已在敵炮有效射程之內。而我第四十軍已基本喪失戰鬥力，臨沂局麵主要靠第五十九軍支撐，但也因苦戰經旬，傷亡過半。此種敵我力量對比，我方若不增派援軍，臨沂恐再難守。26日晚，張、龐再度緊急會商，戰區參謀長徐祖詒將情況告知李宗仁。李宗仁聞報後，立即派繆澂流第五十七軍第三三三旅王肇治部火速增援，歸龐炳勛指揮；派湯恩伯第二十軍團騎兵團李之山部亦行前往，歸張自忠指揮，限兩日內趕到。兩日後，又派周碞第七十五軍第一三九師黃光華部增援臨沂。
再則小嶺喋血抗戰。
27日早7時，集結於義堂集附近的敵鈴木聯隊，兵分三路向第五十九軍發起進攻：一路由二十裏舖、大嶺向我小嶺攻擊，一路經由響河屯攻我南沙埠，一路經城後攻我古城。其中尤以小嶺方麵戰鬥最為激烈。敵派飛機6架，往復盤旋轟炸，村中房屋全被炸毀，濃煙滾滾，火焰烈烈。第三十八師守軍因無所依據，陣地曾一度失陷，但敵立足未穩，陣地旋復奪回。於是敵之攻勢更加猛烈，第三十八師守軍大部傷亡。眼看陣地又將不守，師長黃維綱不得不向張自忠請援，張自忠說：“你們要堅決頂住！我們困難時，敵人更困難。要堅持最後五分鍾！我已命令第一八○師派一個團從諸葛城向敵左側進攻，支援第一一二旅方麵作戰，不久即可到達。”黃維綱焦急地回答說：“問題是正麵部隊有頂不住的樣子。眼下這裏實在無人可調了！”張自忠這個從不示弱的硬漢，一聽此言，怒火中燒：“沒有人了怎麽還在說話！”黃維綱聽罷，二話沒說，放下話筒就奔第一線督戰。可張自忠話雖這麽說，他也深知黃維綱的為人，不到萬不得已的時候，他是不輕易求援的。於是放下話筒後，便立即親率保衛軍部的手槍營和第六七六團第二營前往赴援。到達前線後，他登上南道、北道的小高地，舉起望遠鏡仔細地觀察敵情。這時，敵軍似乎有所察覺，連珠般的炮彈射來，在他周圍紛紛爆炸。可再看他，似鋼澆鐵鑄一般紋絲不動。這等沉著立即使軍心大穩。通過觀察，他發現了敵軍的破綻：其左翼攻勢猛烈，右翼則火力較弱。他命令一部對左翼佯攻，吸引敵人火力；另一部組成敢死隊，對敵之右翼發動襲擊。身佩大刀的敢死隊員個個膀大腰圓，刀法嫻熟。朦朧夜色中，他們由小嶺村後秘密繞至敵後背，敵全然不察。突然間，神兵似從天降，敢死隊大刀掄圓，寒光閃閃，敵身首異處，人仰馬翻，倖存者失魂落魄，四下逃竄。此時，正麵守軍趁機大舉反擊，日軍全線崩潰，落荒而逃。