從4月2日起，日軍就向我臨沂陣地屢屢發起進攻。
2日晨7時，日軍40餘輛汽車滿載敵兵到達湯頭，午前10時，又有自蒙陰南下而來之敵約500人到達費縣附近的上冶地區，其勢似再度進犯臨沂。張自忠聞訊後，立即命遊擊隊前往截擊，同時令主力部隊嚴陣以待。
午後1時，戰區司令部來電，令第五十九軍以主力固守臨沂附近原陣地，同時抽調部隊，一路向臨沂、沂水間，一路向蒙陰、費縣間遊擊。張自忠遂令第三十八師派部赴臨朐、沂水一帶，第一八○師派部赴新泰、蒙陰一帶伏擊敵人。1
3日下午，敵由沙埠莊向我陣地進犯，我守軍防守反擊，將敵擊退，第三十八師乘勢攻占文埠屯。
入夜，敵又調大部，分由化沂莊、幹沂莊向我陣地發起猛攻。張自忠也調集有力部隊，由薑莊出擊，激戰兩小時，敵不支退去。隨後敵便對該村進行了報復性轟擊，一時間煙焰瀰漫，全村火毀。
4日，敵更集中炮火和裝甲車多輛，掩護步兵四五百名，分由幹沂莊、化沂莊猛攻我角沂莊、硯台冷。我疲憊之師，苦苦堅持，終使敵不逞。
由於對我正麵陣地屢攻不克，5日晨，敵轉變了方向，向我陣地側翼的房家莊發動攻擊，並以大部圍攻我古城、城前等村。此處我隻有警戒部隊，勢單力薄，但守軍不畏強敵，竭力抵抗，激戰至午，房家莊所有民房悉被炸毀，我守軍無所依據，敵即乘勢沖入我陣地。同時古城、城前亦陷敵手。我守軍被迫撤至西墩陣地。
日軍在對我臨沂陣地發動進攻的同時，還源源不斷地由義堂集一帶向台兒莊方麵運送輜重和援軍。為此，戰區司令部於4月4日電告第五十九軍，必須前往阻斷敵之接濟。這對張自忠來說，實在又是一樁難事。以殘破之旅據守臨沂就已經使他捉襟見肘，再擔此任就更使他難顧東西，他著實感到十分為難。然而他畢竟久經沙場，對戰區意圖頗有領悟。此時台兒莊我軍正準備與日軍一決雌雄，敵接濟之路能否阻斷，將關係到台兒莊勝負及戰局前途。因此，盡管囊中羞澀，他還是十分認真，當即調第一八○師一個團遊擊鬍子峪，第三十八師一個團遊擊喬家湖。5日晚，第三十八師遊擊隊就在喬家湖遇敵輜重汽車百餘輛及掩護部隊200餘人，當即給予迎頭痛擊，結果擊斃敵人數十名，輜重車輛被我遊擊隊焚毀六七十輛；第一八○師遊擊隊在蘆家湖一帶將敵十餘輛輜重汽車擊毀焚燒。
此前一日（即4日）晚，尚接戰區長官部通知：台兒莊之敵正向東北潰退。張自忠馬上指令第一八○師主力前往堵截，其原防務交由第三十八師接替。
正當第五十九軍左右開弓之時，日軍突犯朱陳，於是又開始了一場曠日持久的朱陳爭奪戰。4月5日下午，由艾山方麵開來的三四百名日軍突然竄入朱陳，旋即全部占領。朱陳為臨沂西南之重鎮，朱陳若失便直接威脅臨沂安全，所以一時頗為緊張。張自忠急忙調兵遣將，開赴朱陳；據守臨沂城的龐炳勛也派出工兵營和學兵營前往迎擊。至晚八九時，朱陳已被張、龐兩軍包圍。6日清晨，雙方槍炮之聲絡繹不絕，朱陳之敵尚欲突破我軍包圍，向距臨沂城更近的湖南崖、湖西崖、王莊進擊。激戰竟日，上述各地均被我收復，敵無奈又退回朱陳寨內。
此時，由晉南開來的姚景川騎兵第十三旅到達臨沂，張自忠除派一部向敵後方搜索，破壞交通、擾敵運輸外，將其主力用於對付朱陳之敵。8日，第九十二軍第十三師吳良琛部也開到臨沂戰場歸張自忠指揮。張自忠也將該部用於解決朱陳之敵。但日軍也於同日派來增援部隊，雙方力量均得到加強，因而仍處於對峙狀態。
9日，朱陳之敵企圖向西南運動。張自忠令第十三師、第一八○師和騎兵第十三旅，各以一部分別於黃土堰、小沙埠、馬姑屯、陸莊、磊石一帶地區截擊，激戰後，敵仍縮回朱陳。
為徹底解決朱陳之敵，張自忠重新作了部署：
一、第三十八師於明早3時以主力固守原陣地，以一部佯攻，以有力之一部在城前、東石埠截擊敗退之敵，並阻止敵之增援。
二、第十三師附騎兵一團，於明早3時以主力攻朱陳，以一部攻黃土堰。
三、第一八○師於明早3時，以一部協力第十三師攻擊朱陳，以主力攻擊朱陳西北之敵，務截斷敵之歸路。
四、騎兵十三旅（欠一團）於明早3時以一部進擊蘆家湖方麵，對艾山西北極力擾亂破壞，以一部進擊南曲坊、大棗溝頭一帶，努力破壞敵後方交通，並襲擊其增運部隊。1
10日淩晨3時，第十三師主力由山南頭、王莊，一部由焦沂莊、黃土堰、廟山向朱陳發起了攻擊。我軍先以炮火向寨內猛射，繼而向寨敵逼近，並有一部官兵爬上圍寨。但敵火力熾盛，爬上圍寨之官兵均壯烈犧牲。這時，從艾山方麵又開來增援之敵，占據了黃土堰。第十三師又需抽調一團兵力攻來援之敵側背。方激戰竟日，雖將黃土堰、廟山等處收回，但敵卻全部退集朱陳。
11日淩晨3時，第十三師、第一八○師再舉進攻朱陳之敵，敵則恃高厚之寨牆及熾盛之火力頑強抵抗。我軍先以敢死隊強登圍寨，續以大部向圍寨猛撲，經前仆後繼，我官兵終有一部爬入寨內，但因聯絡中斷，進入寨內之官兵傷亡過重，復行退出，致使功敗垂成。
2日晨7時，日軍40餘輛汽車滿載敵兵到達湯頭，午前10時，又有自蒙陰南下而來之敵約500人到達費縣附近的上冶地區，其勢似再度進犯臨沂。張自忠聞訊後，立即命遊擊隊前往截擊，同時令主力部隊嚴陣以待。
午後1時，戰區司令部來電，令第五十九軍以主力固守臨沂附近原陣地，同時抽調部隊，一路向臨沂、沂水間，一路向蒙陰、費縣間遊擊。張自忠遂令第三十八師派部赴臨朐、沂水一帶，第一八○師派部赴新泰、蒙陰一帶伏擊敵人。1
3日下午，敵由沙埠莊向我陣地進犯，我守軍防守反擊，將敵擊退，第三十八師乘勢攻占文埠屯。
入夜，敵又調大部，分由化沂莊、幹沂莊向我陣地發起猛攻。張自忠也調集有力部隊，由薑莊出擊，激戰兩小時，敵不支退去。隨後敵便對該村進行了報復性轟擊，一時間煙焰瀰漫，全村火毀。
4日，敵更集中炮火和裝甲車多輛，掩護步兵四五百名，分由幹沂莊、化沂莊猛攻我角沂莊、硯台冷。我疲憊之師，苦苦堅持，終使敵不逞。
由於對我正麵陣地屢攻不克，5日晨，敵轉變了方向，向我陣地側翼的房家莊發動攻擊，並以大部圍攻我古城、城前等村。此處我隻有警戒部隊，勢單力薄，但守軍不畏強敵，竭力抵抗，激戰至午，房家莊所有民房悉被炸毀，我守軍無所依據，敵即乘勢沖入我陣地。同時古城、城前亦陷敵手。我守軍被迫撤至西墩陣地。
日軍在對我臨沂陣地發動進攻的同時，還源源不斷地由義堂集一帶向台兒莊方麵運送輜重和援軍。為此，戰區司令部於4月4日電告第五十九軍，必須前往阻斷敵之接濟。這對張自忠來說，實在又是一樁難事。以殘破之旅據守臨沂就已經使他捉襟見肘，再擔此任就更使他難顧東西，他著實感到十分為難。然而他畢竟久經沙場，對戰區意圖頗有領悟。此時台兒莊我軍正準備與日軍一決雌雄，敵接濟之路能否阻斷，將關係到台兒莊勝負及戰局前途。因此，盡管囊中羞澀，他還是十分認真，當即調第一八○師一個團遊擊鬍子峪，第三十八師一個團遊擊喬家湖。5日晚，第三十八師遊擊隊就在喬家湖遇敵輜重汽車百餘輛及掩護部隊200餘人，當即給予迎頭痛擊，結果擊斃敵人數十名，輜重車輛被我遊擊隊焚毀六七十輛；第一八○師遊擊隊在蘆家湖一帶將敵十餘輛輜重汽車擊毀焚燒。
此前一日（即4日）晚，尚接戰區長官部通知：台兒莊之敵正向東北潰退。張自忠馬上指令第一八○師主力前往堵截，其原防務交由第三十八師接替。
正當第五十九軍左右開弓之時，日軍突犯朱陳，於是又開始了一場曠日持久的朱陳爭奪戰。4月5日下午，由艾山方麵開來的三四百名日軍突然竄入朱陳，旋即全部占領。朱陳為臨沂西南之重鎮，朱陳若失便直接威脅臨沂安全，所以一時頗為緊張。張自忠急忙調兵遣將，開赴朱陳；據守臨沂城的龐炳勛也派出工兵營和學兵營前往迎擊。至晚八九時，朱陳已被張、龐兩軍包圍。6日清晨，雙方槍炮之聲絡繹不絕，朱陳之敵尚欲突破我軍包圍，向距臨沂城更近的湖南崖、湖西崖、王莊進擊。激戰竟日，上述各地均被我收復，敵無奈又退回朱陳寨內。
此時，由晉南開來的姚景川騎兵第十三旅到達臨沂，張自忠除派一部向敵後方搜索，破壞交通、擾敵運輸外，將其主力用於對付朱陳之敵。8日，第九十二軍第十三師吳良琛部也開到臨沂戰場歸張自忠指揮。張自忠也將該部用於解決朱陳之敵。但日軍也於同日派來增援部隊，雙方力量均得到加強，因而仍處於對峙狀態。
9日，朱陳之敵企圖向西南運動。張自忠令第十三師、第一八○師和騎兵第十三旅，各以一部分別於黃土堰、小沙埠、馬姑屯、陸莊、磊石一帶地區截擊，激戰後，敵仍縮回朱陳。
為徹底解決朱陳之敵，張自忠重新作了部署：
一、第三十八師於明早3時以主力固守原陣地，以一部佯攻，以有力之一部在城前、東石埠截擊敗退之敵，並阻止敵之增援。
二、第十三師附騎兵一團，於明早3時以主力攻朱陳，以一部攻黃土堰。
三、第一八○師於明早3時，以一部協力第十三師攻擊朱陳，以主力攻擊朱陳西北之敵，務截斷敵之歸路。
四、騎兵十三旅（欠一團）於明早3時以一部進擊蘆家湖方麵，對艾山西北極力擾亂破壞，以一部進擊南曲坊、大棗溝頭一帶，努力破壞敵後方交通，並襲擊其增運部隊。1
10日淩晨3時，第十三師主力由山南頭、王莊，一部由焦沂莊、黃土堰、廟山向朱陳發起了攻擊。我軍先以炮火向寨內猛射，繼而向寨敵逼近，並有一部官兵爬上圍寨。但敵火力熾盛，爬上圍寨之官兵均壯烈犧牲。這時，從艾山方麵又開來增援之敵，占據了黃土堰。第十三師又需抽調一團兵力攻來援之敵側背。方激戰竟日，雖將黃土堰、廟山等處收回，但敵卻全部退集朱陳。
11日淩晨3時，第十三師、第一八○師再舉進攻朱陳之敵，敵則恃高厚之寨牆及熾盛之火力頑強抵抗。我軍先以敢死隊強登圍寨，續以大部向圍寨猛撲，經前仆後繼，我官兵終有一部爬入寨內，但因聯絡中斷，進入寨內之官兵傷亡過重，復行退出，致使功敗垂成。