1938年3月，向臨沂逼近的日軍接連受挫，使日軍第五師團長板垣征四郎惱羞成怒。尤其聽說津浦線的磯谷廉介第十師團不愿與他協同，單獨迅速南下，已開始向滕縣展開攻勢時，一股妒火霎時從心底燃燒。

板垣心里清楚，他與磯谷違反日本統帥部“穩扎穩打，年內不發動新進攻”的方針，而所采取的進攻行動，客觀上卻為整個在華日軍的部署創造了一個有利的態勢。即如能攻克徐州就打通華北、華中兩個戰場，使日軍聯成一體，為下一步深入中原腹地做好戰略準備。而且，板垣從日本國內轉來的報紙和各類情報中，也覺察出天皇和參謀本部都在關注著即將拉開帷幕的徐州之戰。他和磯谷兩師團的行動并沒有受到參謀本部的制止，只是接到過日軍第二軍司令官兩尾壽造的電報，告誡兩個師團要注意配合協同，不要離得太遠。板垣從中悟出，這不僅是對他們兩支部隊的支持和縱容，而且還有一種競爭、比武之意，誰先攻下徐州，誰便成為大東亞圣戰的英雄。

板垣向來氣勢凌人，他絕咽不下屈居人下這口氣。3月10日，他調集本師團最精銳的田野旅團5000余名日軍，在30多門大炮和20多輛坦克的配合下，猛攻龐軍陣地。其勢兇猛，一天之內將龐軍在臨沂城外的外圍陣地大部攻陷，并集中炮火，向臨沂城內轟擊。龐炳勛指揮部隊拼死抵抗，戰斗十分慘烈。

入夜，日軍攻勢持續不減，后續部隊仍不斷增加。龐炳勛見形勢緊迫，連忙向李宗仁發出電報求援。

李宗仁接電，急令參謀長徐祖貽調張自忠第五十九軍前去增援。然而，徐祖貽接令后卻面有難色，因為龐、張曾反目為仇，結下宿怨。

原在1930年蔣、馮、閻中原大戰時，龐、張都是馮系健將，彼此親如兄弟。但是，龐炳勛受蔣介石的調唆、收買而倒戈反馮，且出其不意襲擊張自忠師部，致使張自忠胸部負重傷，險些喪命。自此，張自忠一直認為龐炳勛不仁不義，視若仇人。

他奉調到五戰區時，曾私下向徐祖貽陳述此一苦衷，表示在任何戰場皆可拚一死，唯獨不愿與龐氏同在一壕溝作戰。當時淮河戰場吃緊，徐祖貽便讓他率部赴淮河一線，增援于學忠軍。

徐祖貽將此情如實告訴李宗仁，并說：“若讓龐、張同在一個戰場，你看會不會發生意外？”

李宗仁說：“這都是我們的蔣委員長一手造成的后遺癥啊！但目前廖磊、劉士毅諸軍，還與敵糾纏于明光、池河一帶，淮河北岸軍情已經緩和，只有調駐防那里的五十九軍去增援臨沂為好。龐、張之間有宿怨，我也知曉。不過，我想自忠能以大局為重，你將他請來，我親自與他相商。”

徐祖貽打電話召來張自忠。

李宗仁誠懇地對張自忠說：“你和龐炳勛有宿怨，我甚了解，頗不欲強人之所難。不過以前的內戰，不論誰是誰非，皆為不名譽的私怨私仇。龐炳勛現在前方浴血抗戰，乃屬雪國恥，報國仇。我希望你以國家為重，受點委屈，捐棄個人前嫌。我今命令你即率所部，在臨沂作戰。你務要絕對服從龐軍團長的指揮。切勿遲疑，致誤戎機！”

張自忠為人俠義、忠厚，聽了李宗仁這番語重心長的話，回答十分堅定：“絕對服從命令，請長官放心！”

逼向臨沂的日軍炮火愈來愈近，攻勢愈來愈猛。設在臨沂南關山東省立第三師范的第三軍團指揮部里，電話機中不斷傳來各陣地告急呼救的聲音。龐炳勛心情焦躁，一根接著一根地抽煙，跛著在北伐戰爭中負傷而落下殘疾的左腿，來回不停地走動，苦苦思索如何應付眼前的嚴峻局面。

“下令撤退嗎？”龐炳勛想，“不能，絕對不可無上級命令而棄守逃命，韓復榘就是前車之鑒。況且，日軍已向臨沂兩側運動，哪里還有萬無一失的退路？”

“打，打他個魚死網破！”龐炳勛又想，“就憑自己這么一些疲憊不堪的士兵，這些陳舊落后的武器，就是拚光了，能阻擋住裝備精良，步、空、炮并進的日軍攻進臨沂嗎？”

龐炳勛正左思右想，忽見電報員拿著一份電報走到他的跟前。龐炳勛雙手顫抖著接過電報：

臨沂為臺、徐屏障，必須堅決保衛，拒敵前進。除已令張自忠部前往增援外，并派本部參謀長徐祖貽前往就近指揮。

這是李宗仁調兵增援臨沂的復電，龐炳勛看后并沒有高興。他想起他與張自忠之間那一段不愉快的往事，又陷入一陣苦惱：“張自忠對我已恨之入骨，他還會真心同我并肩作戰？”

然而，李宗仁畢竟給他派來了援軍，而且，他與張自忠之間雖有宿怨，但在西北軍時也曾有過患難與共的交情。為此，龐炳勛精神不禁為之一振，心里說道：“不管你張自忠心里如何想，但我要讓你看看，為國家、為民族，我龐炳勛在臨沂是如何戰斗！”

龐炳勛放下電報，忽地抓起電話筒，命令第三十九師師長、前線總指揮馬法五：

“告誡我全體官兵，人在陣地在，要與臨沂共存亡！”

龐炳勛心底燃燒起來的激情，又凝聚了一股強大的威力。在臨沂城正面作戰的李運通第一一六旅、在右翼防護臨沂城的朱家麟第一一五旅，以及李振清補充團的官兵，聽到命令，一齊從壕溝里一躍而起，冒煙突火，向日軍陣地沖去，硬是用手榴彈、刺刀、大砍刀，又將逼近臨沂城的日軍迫回太平、白塔一線。

3月11日下午，當徐祖貽趕到臨沂城的時候，一場緊張的戰斗剛剛結束。退下戰線的日軍，正遭受田野旅團長的訓斥。龐炳勛第三軍團的官兵，也在防線休整。幾日來滿面枯焦的龐炳勛，在走出指揮部，迎接前來指揮作戰的參謀長徐祖貽之時，臉上也總算泛起一絲笑容：

“參謀長，你看我們打得還可以吧！”

“可以！”徐祖貽環顧四周，見指揮部周圍硝煙彌漫，遍布彈坑和瓦礫，敵遠程炮彈不時凌空呼嘯而過，便十分關心地問：“你的指揮部離前線多遠？”

“3里！”龐炳勛說，“這里常常是敵軍大炮射擊的目標呢！”

“太近了，太近了！”

徐祖貽建議，讓龐炳勛立即將指揮部遷移到城南二十里的付家莊。

“不行，”龐炳勛說，“在這個時候指揮部決不能遷移，如果我龐炳勛臨危退卻，前線士氣就會松動，臨沂城就難保了！”

徐祖貽見龐炳勛有如此決心，十分感動，立即前往城東、北方，去察看陣地。

3月12日上午，日軍又向臨沂展開猛攻，將龐炳勛軍從太平、白塔一線又逼至臨沂近郊桃園、三官廟、郁九曲等地。徐祖貽協助第三十九師師長馬法五在前線指揮，為使日軍縮回伸向臨沂城的魔爪，他急令沂水穆陵關對敵作戰的朱家麟第一一五旅轉守為攻，繞道轉向莒縣以西的日軍側背攻擊。但此時日軍大炮集中目標，對臨沂猛轟，龐軍設在臨沂南關的炮兵營只剩兩門山炮，在敵炮火壓力下始終發揮不了作用。一股日軍在炮火掩護下，已沖過三官廟，進入臨沂城。城內沖鋒號響，邵恩三率一支預備隊奮起反攻，兩軍白刃肉搏。

徐祖貽在戰火紛飛的前沿陣地的壕溝里打電話問龐炳勛：“你處還有多少預備隊？”

此刻，龐炳勛的指揮部已被炸得七零八落，龐炳勛在塵煙彌漫之中拿起話筒，回答徐祖貽：

“補充團一部在郁九曲抗敵，一部在城內與敵肉搏，連我的警衛都增援到第一線，再有，就是我了！”

徐祖貽正在犯難，忽報張自忠第五十九軍先頭部隊已達臨沂城北諸葛城，開始向圍困臨沂的日軍進擊。

張自忠接李宗仁命令之后，率五十九軍火速奔往臨沂。為了爭取時間，他讓官兵們扔去許多物資，只攜帶槍彈藥和少量口糧拼命奔跑。他心中只有一個念頭：消除個人恩怨，全力以赴，與龐將軍攜手打好這一仗。

一個晝夜下來，五十九軍中有許多體弱的士兵累倒、累死在路上，但為了早些趕到臨沂，張自忠只好硬起心腸。先頭部隊到達臨沂近區，長途奔波之后本應稍作休息，再與敵作戰。但臨沂危機，刻不容緩，張自忠立即命令部屬，向日軍陣地展開攻勢。

聞援軍已到，第三軍團軍心大振，精神抖擻，齊向日軍反擊。一時日軍首尾不能相顧，棄陣后退。殺入臨沂城的那一股日軍，被邵恩三率領的補充隊殺死大半，生者狼狽逃出城外。

薄暮時分，張自忠走進臨沂師范第三軍團指揮部。面如煙熏火燎的龐炳勛迎出門來，只聽張自忠一聲“大哥”，龐炳勛霎時老淚縱橫，兩雙大手緊緊地握在一起。

內疚、自愧在龐炳勛心頭蕩起，許多話語無從說起。這時，忽然有敵方炮彈從頭頂上飛過，龐炳勛抽出手來擦了一把淚水說：“老弟，你來得正好，你看這里多熱鬧！”

張自忠說：大哥你放心，我一定盡力幫你打贏這一戰！”

當日夜晚，第五戰區參謀長徐祖貽，在第三軍團指揮部召集龐、張兩部高級人員開軍事會議，決定對當前之敵反守為攻，采用正面堅守，兩翼迂回，抄襲敵后，一舉殲滅。

之后，徐祖貽代表李宗仁發布命令：

“由本戰區情報處獲悉，圍困臨沂之敵系板垣師團田野旅團之全部，目前尚無后續部隊到達。長官部要求龐、張兩部精誠團結，一舉殲滅當前之敵。”

具體部署如下：張自忠第五十九軍，自諸葛城向敵右后方作猛烈襲擊，奏效后向湯頭追擊前進；龐部第三十九師第一一六旅附炮兵營仍守諸葛城至郁九曲一線之陣地，牽制敵軍主力；龐部第三十九師補充團及該師騎兵連，自郁九曲以南向敵軍左后方進擊，在湯頭與張自忠軍會合；龐部第三十九師第一一五旅工兵營及軍屬特務營為機動部隊，由師長馬法五指揮，隨時策應各方。

3月13日拂曉，龐、張兩部開始向日軍發起攻擊。張自忠親自指揮主力，自龐軍左翼敵前渡沂河，對敵實行強襲。與此同時，龐部第三十九師各旅亦協同友軍展開攻勢。

強渡沂河時，敵人火力旺盛，張部先鋒部隊第三十八師第一一四旅傷亡甚重，河水為赤。但張自忠親自督陣，士兵前仆后繼，終于壓住敵人火力，一舉插入日軍田野旅團之右側背，在亭子頭、太平洋、申家太平、沙嶺子等處突破敵人防線。敵猝不及防，損失慘重。

日軍受張自忠五十九軍重創，遂放棄攻城，轉對五十九軍作戰。此時，龐軍諸部，乘機向日軍追擊，獲得糧彈輜重無數。

3月14、15兩日，張自忠率部與敵在沂河兩岸反復沖殺，戰線犬牙交錯，形成逐村、逐屋爭奪之拉鋸戰。在前后三天的激戰中，雙方沖殺不下數十次。3月16日，徐祖貽見第五十九軍傷亡太重，擬電與戰區司令長官李宗仁同意后，令向郯城后撤。張自忠要求再打一天一夜。經徐祖貽參謀長請示戰區同意，張自忠立即下令全軍，營、團長均到第一線指揮，師、旅長到團部指揮所，軍長親臨兩師前線。并下令全軍所有火炮都推到第一線。

3月16日傍晚，整裝待發的五十九軍官兵，只聽張自忠軍長一聲令下，便又以密集的炮火向敵人猛烈轟擊。入夜后，所有官兵均投入戰斗，猛攻盤踞在鳳儀官莊、劉家湖、苗家莊、船流等10余個村莊之敵。頓時槍炮大作，殺聲震天。戰斗到17日凌晨，五十九軍攻占了日軍主陣地劉家湖一帶的茶葉山，號稱鐵軍的板垣師團再無抵抗能力，遺尸千余，向湯頭、莒縣方向撤退。龐、張兩部乘勝追擊至董官莊、白塔、湯頭一帶布防，與湯頭以北之敵形成對峙狀態。

臨沂勝利的消息傳出后，蔣介石和李宗仁先后傳令嘉獎，中央還特派軍事參議院長陳元到臨沂慰勞龐、張兩部官兵。

3月18日晚，張自忠奉令留下第一一四旅歸龐炳勛指揮協同守城，率第五十九軍其余各部進駐費縣、沈村一帶，威脅正入侵滕縣的日軍磯谷廉介師團之左側背，以策應五戰區正面的作戰部署。