一个军加一个军团，看起来量很雄厚，事实上庞炳勋的第三军团麾下只有一个40军，而40军下面又只有一个39师，5个团。作为曾经的西北军高级将领，庞炳勋即使早早投诚老蒋后必然不被信任的，给一个军团长命令，却只领着一个师的兵力，装备、训练更是可以想象，虽然在蒋阵战韩复渠后，官兵士气大振，但毕竟实力差距在那里。七七事变后，庞炳勋一直在津浦线附近作战，临沂战斗打响时，手中可用兵力已经不足万人。
临沂，距离台儿庄90公里。临沂不保，台儿庄将面临日军两路大军的会师。面对岌岌可危的临沂，李宗仁迅速调遣张自忠的59军从滕县向临沂增援。七七事变后被媒体扣上“汉奸”“卖国贼”的张自忠只想痛痛快快战一场，用献血洗刷自己身上的诬名，为自己正名，为西北军正名。滕县距离临沂90公里，张自忠亲自带队仅用一昼夜抵达战场。面对日军强大攻势，张自忠考虑到与其被动守城，不如主动出击，外围打得越好，临沂的压力就越小。于是兵分两路向日军侧后方迂回。
图：59军抵达临沂时战场态势
3月14日，日军虽然侦查到有兵力支援临沂，但没料到对方不但不进城依托城市防守，还大胆穿插自己的侧后方，被张自忠打了个措手不及，59军顺利夺占茶叶山高地、白塔村、亭子头等要点。第5师团不愧为日军老牌劲旅，面对侧后被突袭，并没有手忙脚乱，在继续保持对临沂压制的同时，，抽调两个大队迅速回援，对迂回的59军发起冲锋。
张自忠并不是第一次对上日军，长城抗战中他带领部队在喜峰口留下“大刀向鬼子头上砍去”的赫赫威名，他深知面对日军装备更加先进，训练水平更高，要取得优势，必须与日军贴身近战。在沂河两岸逐村、两军逐屋争夺，反复冲杀，战线犬牙交错。双方冲杀不下几十次，59军两个师的连、排长几乎全部牺牲，营长也伤亡近半。
