正当张自忠率五十九军向费县急进时，身后的临沂战局又趋紧张。急于与矶谷师团会合的板垣征四郎，在侦知张自忠部开往费县的消息后，心中大喜，忙纠集4000多人，朝临沂卷土重来，敌机轮番轰炸，重炮连日射击。
3月23日，日军推进到距临沂城仅十多华里的埠前店、三官庙一带。独当一面的四十军虽然顽强抵抗，奋力拼杀，终因损兵折将而渐感不支。庞炳勋向蒋发出告急电：“杀敌有心，恨乏实力，揆之现势，临沂城危急万分。”
此时，台儿庄大战也正在紧张地进行之中，临沂如若不保，战役全局必受影响。
23日中午，李宗仁急电张自忠：“第五十九军全部开赴临沂，协力庞军肃清临沂以北之敌。”激战之后，五十九军连日奔波，将士们没有得到好好休息，已是疲惫不堪。但张自忠不敢怠慢，立即率部杀了个回马枪。
此时，日军已经渗透到回援路上。五十九军抖擞精神，一路奔杀。日军已经领教过五十九军的厉害，闻风丧胆，仓皇而退。
3月24日晨，五十九军到达临沂城北。张自忠下令各部安营扎寨，自己马不停蹄，立刻赶往临沂城内见庞炳勋。当他踏入四十军军部时，卫兵们正在收拾行囊，准备撤退。
庞炳勋一见张自忠，顿时老泪纵横：“荩忱老弟啊，真难为你了，要是你不回来，我部必全军覆没，临沂城也势所难保。”
原来，才短短两天，敌我形势已发生易位。日军援军已到，兵力得到补充，报复心切，攻势凌厉，已悉数渡过沂河，占领临沂城北的刘家湖、邵双湖等要地，一路向沂河东岸的桃园、三官庙进攻，另一路向毛家庄、西北园进逼，对临沂城形成从东西两侧夹击之势。
而四十军已元气大伤，短时间内无法补充兵员，无力抵抗，被迫缩短战线，只勉强守卫临沂城周边的九曲店、小李家庄、石埠岭、黄山之线。
张自忠拍拍庞炳勋肩膀，笑呵呵地说：“男儿有泪不轻弹，不要说泄气话，小日本是欺软怕硬，咱老哥俩再合作一把，把他狗日的再揍回去！”
庞炳勋用衣袖抹了一把眼睛，叹了一口气：“唉，谈何容易啊。”
他走到桌前，从文件夹里取出一张纸，递给张自忠：“在你到达前，我刚刚给委员长发了封求援电报，你看看电文。”
张自忠展开电文，上面写着：“苦战月余，疲惫已极，官兵牺牲，武器损失，均甚奇重。职本革命军人并不气馁，乃实无战斗，请令五十九军先接职军现在防线，以固临沂。否则，出击尚未成功，而城垣不守，前功尽弃，影响战局。即职自问殊无以对国家及牺牲之官兵，现督励残部，誓死扼守，仍在激战中。伏请迅予定夺示遵。”
庞炳勋解释道：“老弟啊，不是我不仗义，非要把你拉下水，生死关头，只有你才能救我于水火啊！”
对于这仗该如何打，张自忠在回援路上已有盘算。他摆出自己的思路：“现在战事十分危急，如果以我残破之军固守城垣，或我部接防贵部继续实行正面抵御，均非上策；马上发动攻势，也准备不及……”
庞炳勋一听急了，打断张自忠的话：“荩忱老弟哟，我的队伍已经拼得差不多了，这你是知道的。贵部若不接城防，也不取攻势，那我只有全军覆没了。”
“我不是这个意思。”张自忠摆摆手，接着说，“最好的办法是我部逼敌侧背，肃清河西，站稳脚跟，建立阵地。此举既可避免敌绕道河西南下台儿庄，又可引敌回攻，以解临沂之围，届时我再转入攻势，予敌重创。”
“好是好，只是我已经朝不保夕，实在撑不住了。”庞炳勋用近乎哀求的口气说，“请老弟无论如何也要想办法尽快进攻，你的恩德，于公于私，我当永志不忘！”
听到庞炳勋如此说，张自忠沉吟起来。他端着茶杯，在屋里来回踱步。庞炳勋眼睛随着他的背影转。庞炳勋了解这位老伙计，如果不是心中没底，他不会这样犹豫不决。
过了一会，张自忠把茶杯往桌上重重一搁，断然决定：“既然如此，我部全力发动进攻，为你们解围！”
庞炳勋猛地跨步上前，紧紧抓住张自忠的胳膊：“好老弟，你对我庞某有再生之德啊！”
张自忠告别庞炳勋，匆匆赶回军部。一番紧锣密鼓的部署后，当天晚上，张自忠下达进攻命令。
三十八师向东、西明坡及古城村之敌发动突然袭击，不发一弹，挥刃冲杀。日军猝不及防，阵脚大乱，被砍杀不少。到次日晨，三十八师占领古城一带。
敌增援部队很快赶到，十几架飞机轮番轰炸、扫射，大批步兵在坦克的掩护下将古城村三面包围，发起猛烈的反攻。三十八师奋起反击，凭屋据垣抵抗。张自忠命令集结待命的一八零师迅速逐次增援到古城战场，激战终日，才将反攻之敌击退。
此时，庞军阵地告急。张自忠急令三十八师抽调3个团，于25日晚8时分别自七沟子、朱皋强渡沂河，向临沂东北的三官庙、桃园、独树头一线的日军发起进攻，以解庞军之围。
日军乘虚而入，向古城阵地发起反扑，激战3个小时之后，抢占寨西的两个大院。三十八师战士撤出后，知道其中一个院子里堆满高粱和谷子的秸秆，便悄悄摸近，将整捆的秸秆点上火，投向院内，继而又把掷弹筒和手榴弹投将进去，院内顿时大火熊熊。
战士们趁势将院墙推倒，发起冲锋。敌见势不妙，仓皇溃逃。随后，张自忠把军部移至古城，指挥部队继续实施攻击。
在沂河东岸，日军用猛烈炮火掩护步兵，向庞军的阵地数次突击。庞军伤亡惨重，眼看就要招架不住，幸亏增援的三十八师3个团及时赶到，抄袭敌背，于26日上午攻克桃园，再向三官庙进攻。
三官庙的工事原是庞军筑的，十分坚固，现在反为敌所利用。三十八师久攻不克，兵力受损严重。双方正相持不下时，日军又调大批援军，由身后独树头压迫而来，并集中炮火袭击。三十八师的一个团浴血奋战，几乎全军覆没。
日军4架飞机，加上数门重炮，向桃园猛烈轰炸，张自忠部的阵地均被击毁，部队弹尽粮绝，只好白刃格斗，大部壮烈牺牲，不得已于26日晚复撤至沂河西岸。
此役虽使临沂之围得解，但三十八师渡河的3个团却伤亡2000多人。不过，日军也同样损兵折将，伤亡惨重。
结语
弹指一挥间，现在还健在的参加过临沂阻击战的抗战老兵已经不多了，希望老人家们都能安享晚年！
活着，他们是中华民族的英雄，万人敬仰！
逝去，他们是中华民族的丰碑，永矗人间！
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