由于日军腹背受敌，集中主力对付生力军的五十九军，四十军正面日军兵力大减。庞炳勋抓住时机，以主力向日军侧背发起攻击，居然获得一定战果，14日夜占领独树头、相公庄。15日，一一五旅攻占黄家庄、柳杭头以南一线。第一一七旅进到西沙庄、郑家寨子一线。
15日夜，阵地上沉寂下来。谁也没有料到，这是敌人的阴谋，诡计多端的板垣此时正在策划一个以攻对攻的行动。他调主力4 000人，由沙岭子以北三十八师两个旅的结合部偷渡沂河，占领了毛官庄对面的河西渡口。然后在十几架飞机的配合下，突然对五十九军后方的崖头、刘家湖、苗家庄、钓鱼台一线发动猛攻。五十九军后方留守部队寡不敌众，奋力抵抗，但苗家庄、钓鱼台还是被敌人所攻占。张自忠急调三十八师主力撤回沂河西岸打击日军。
尽管五十九军攻击不够顺利，但他们浴血奋战仍予日寇以沉重打击。从缴获的日军信件、日记中得知，经两日夜激战，日军伤亡惨重，搬运伤兵之人车持续不断。
16日晨，渡河西犯的日军，已增至5 000余人，并出动飞机20多架，坦克十多辆及步兵炮、野战炮40多门，向刘家湖、茶叶山、船流、郝沂宅子发动大规模进攻。河西我军兵力薄弱，处境十分严峻。
守卫刘家湖的二二六团第十连以寡敌众，拼死奋战，全连殉国。
张自忠根据战局变化，立即将兵力作了调整：以三十八师一个主力团固守茶叶山、郝沂宅子高地，阻击河东进犯之敌，不惜牺牲，坚守茶叶山高地，以为军的后方支持点；驻石家屯的军属骑兵营，协同该地步兵，由新河村进击河东，袭扰敌之后背，牵制日军兵力；三十八师留河东部队全部撤回，以加强茶叶山沿河阵地的防御；军总预备队一一四旅投入刘家湖、茶叶山作战；其余部队均集结于余粮村、小安子以南地区阻止敌人继续西犯。
一八○师攻占的河东村庄全部放弃，将兵力撤回河西。其中独立三十九旅祁光远部，以第七一五团刘照华部占领诸葛城，用火力严密封锁苗家庄的敌人，使其不能再向外扩展；第七一七团艾明纲部守卫诸葛城以东的洪福寺，以火力侧击钓鱼台、苗家庄的敌人，并占领沿河阵地，以防沙岭子之敌再渡河西犯；独立第二十六旅集结于邵双湖以北，随时准备策应三十八师同刘家湖方面之敌作战。
军部驻朱潘，三十八师师部驻小安子，一八○师师部驻邵双湖，无命令不准后撤。
五十九军调整完毕后，战事重心转到河西，敌我双方在这里展开了战役打响以来最为惨烈的战斗。茶叶山、刘家湖战斗尤为激烈，阵地几次失而复得形成拉锯。钓鱼台、崖头、石家屯、苗家庄也成为争夺之焦点。
一一三旅二二六团在刘家湖村外与敌争夺了一天。黄昏时分，日军突入村内，占领了村东，我军仍据守村西。入夜，张自忠又令二二七团投入战斗，双方往来冲杀，激战通宵，村中积尸数百具，战至天明，仍各占其半。
茶叶山的争夺战更是激烈。固守茶叶山的三十八师二二五团第七连，面对数倍于己的敌人，前仆后继，殊死战斗，直至全部壮烈牺牲。16日上午，茶叶山失守。
日军占领茶叶山后，在山下构筑了防御工事，派一个加强连驻守。茶叶山半山腰有一座小庙，山顶有一个大碉堡，形成易守难攻的防御结构。二二七团于黄昏后向高地发起攻击。团长杨干三命炮兵集中轰击小庙和山顶，先将敌人火力钳制住，同时命令步兵向山脚之日军发起猛攻，攻克第一道防线后，命令炮火集中轰山顶，趁机歼灭半山小庙之敌。二二七团采用这种层层推进法终于将茶叶山夺回。但该团在立足未稳之际，日军突然猛烈反扑，茶叶山得而复失。
第六部分：泯恩仇再救庞炳勋泯恩仇再救庞炳勋（6）
张自忠下令暂时放弃该阵地，将二二七团转用于刘家湖方面。
鉴于日军河东部队不断经由大、小苗家庄增援河西，对三十八师威胁很大。张自忠命独立二十六旅将该敌消灭。
张宗衡旅长亲赴诸葛城督战，指挥七一五团（由独立三十九旅配属该旅）向大、小苗家庄进攻。该团分三路向敌迂回接近，16日中午12时发起冲锋，激战20分钟，将日军阵地突破，冲入村内与敌肉搏，一个小时后终于占领大苗家庄，将日军压缩于小苗家庄及沂河岸边。
经过三昼夜的浴血战斗，五十九军伤亡约3 500人。鉴于五十九军损失过重，徐祖诒建议张自忠撤出战斗，转往郯城休整。张自忠杀得性起，不肯撤退。此举颇出徐祖诒的意外。因为据他所知，许多将领，尤其是非嫡系部队，稍有伤亡即要求退出战场，或要求增派援军，还未见到令其撤离却反而要求再战者。他为五战区有这样责任心强的将领而高兴，对张自忠的不畏强敌而钦佩。他立即报告李宗仁，李宗仁复电同意张自忠所请。
当天夜里，张自忠召集团以上军官开会。他说：“我军伤亡很大，敌人伤亡也大。敌我双方都在苦撑，战争的胜负，决定于谁能坚持最后五分钟。既然我们已同敌人干上了，而且干到现在这种境地，我们就要用精神和血肉拼命和敌人干到底。争取一个像样的结局！”
大家都支持张自忠的意见，纷纷求战。
张自忠就17日的作战部署下达命令：
一、3月17日，军师所有山炮、野炮、重迫击炮全部推进到两师第一线，带上所有炮弹，听候第一线指挥官命令，在黄昏前，将全部炮弹倾向敌阵；
二、军部仍在原地，由副军长李文田指挥；
三、三十八师黄维纲师长带领预备队，到刘家湖第一线指挥部队，限令黄昏前将所有炮弹发射完毕，然后规定好夜战暗号，命令一线部队一齐出击；
四、一八○师刘振三师长和祁光远旅长亲到诸葛城一线指挥，将所有炮弹发射完后，即令第七一五团向小苗庄之敌攻击；
五、独立二十六旅张宗衡旅长率全旅在刘家湖、苗家庄之间及时策应两师作战。
从这个命令来看，张自忠已下决心全力与敌一决。
16日夜战打响。五十九军趁夜间向盘踞在刘家湖、茶叶山、凤仪官庄、小苗家庄、船流、大太平、沙岭子等十多个村庄的日军展开了猛烈攻击。
三十八师由一一四旅担任主攻，一一二旅、一一三旅策应。一一四旅以刘文修之二二八团为主攻。战前，张自忠对董升堂和刘文修说：“我命令你们把茶叶山、刘家湖拿下来，否则军法无情！”
董、刘二人当场立下军令状：“拿不下茶叶山、刘家湖。决不回来见军长！”
夜10时，二二八团向茶叶山发起攻击。第二营营长冉德明率领全营在炮火及轻重机枪掩护下，成纵队向高地突击；第三营营长陆文龙则指挥全营抄击日军左侧背。在战斗最为激烈时，刘团长为鼓舞士气，派人给每人分发100元钞票。官兵们杀红了眼，喊道：“我们命都不要了，拿钱有何用！”纷纷将钞票撕得粉碎，抛向空中。激战至17日凌晨，担任二二八团预备队的刘同福第一营及一一二旅之二二三、二二四团也加入战斗，官兵前仆后继，拼死猛攻，日军伤亡惨重不支，残敌被迫向白塔方向逃窜，我军完全控制了茶叶山阵地。
16日夜，二二七团对刘家湖发起攻击。团长杨干三先派一个侦察排潜入村内，破坏交通，袭击敌指挥部。当侦察排摸入村内时，日军熟睡正酣毫无所觉，侦察排悄无声息地收拾了游动哨，然后在几个路口设置了障碍。午夜12时，侦察排与村外主力部队里应外合，信号发出同时向敌猛袭。日军梦中惊醒仓皇应战，乱成一团，被我击毙过百，残敌退入村北炮楼负隅顽抗。黄维纲又调二二五团投入战斗。刘文修集中两团兵力向敌人猛扑，将日军压缩到村西北角的一个大院里。到17日夜，敌大部被我手榴弹炸死，小股残敌逃往汤头。日军弃尸400多具。
茶叶山、刘家湖歼灭日军1 000余人。我军也伤亡1 500余人，其中连排长40多人，二二八团三位营长，一死二伤。第二营营长冉德明，原为张自忠卫队连连长，这次在战斗中，英勇顽强，壮烈牺牲。
一八○师也在16日深夜对敌发起猛攻。攻击小苗家庄的的七一五团刘照华部，以第一、三营担任主攻，第二营为预备队。攻击开始后，在村外遇到日军抵抗，双方展开激战。我军官兵奋勇冲杀，在士气上压倒敌人。敌人退到村中，与我军逐屋争夺，战斗十分惨烈。战到午夜，敌军不支而溃逃，村内遗尸200多具。
与此同时，一八○师还渡河克复了沙岭子、大太平，并乘胜向北追击。17日，敌军集中兵力反扑大太平，被一八○师击退。下午3时日军再次反扑，并曾攻入大太平，被二二八团团附陈芳芝率两个连击退。这时独立三十九旅七一五团乘胜出击，又将大太平北面的几个村子收复。
至此，张、庞两军将进犯临沂的日军第五师团三个团击溃，残敌向莒县方向逃窜，一部向汤头溃退。
17日11时，蒋介石从武昌发电李宗仁、张自忠、庞炳勋，嘉勉临沂大捷。电报说：“临沂捷报频传，殊甚嘉慰。仍希督励所部，确切协同，包围敌人于战场附近而歼灭之。如敌脱逸，须跟踪猛追，开作战以来歼敌之新纪录，籍振国军之气势，有厚望焉。”
此后，冯玉祥、李宗仁、白崇禧、宋哲元、鹿钟麟、熊斌、秦德纯、张之江、徐永昌等人纷纷致电张自忠祝贺。
临沂之捷，五十九军将领，深受鼓舞。
第六部分：泯恩仇再救庞炳勋泯恩仇再救庞炳勋（7）
张自忠在已取得胜利的基础上，18日下令五十九军第三次东渡沂河，分兵两路向敌发起追击。其中，三十八师以一部占领辇沂庄、东庄一线对北警戒，主力攻击汤头及西北；一八○师以一部攻击汤佛堐，主力攻击汤头镇以南之敌。
与此同时，庞炳勋部向傅家草池、山东庄、贾家官庄一带之敌发起攻击。
到19日，三十八师已攻占了沂河东岸及汤头以北的东庄、前湖 和袁家庄。一八○师攻占了汤头以南的日军坚固据点李家五湖。战斗中，我先头部队独立第二十六旅六七八团第二营，遭遇日军增援部队猛烈反扑，赵宏远营长指挥官兵浴血抗击，毫不退让，全部壮烈牺牲。我增援部队赶到，发起猛攻，终将该敌歼灭，克复李家五湖。
同一天，庞炳勋部北进至书家庄一线，并以一部向北迂回贾家官庄日军后方，至此，汤头日军坂本支队已被我军包围，成为瓮中之鳖。这时若五战区能以一部生力军投入，与张、庞两部合力，可全歼坂本支队。但李宗仁错误地令五十九军除一一二旅外，即调费县，准备向泗水、滕县转用，使坂本死里逃生，实在可惜。
到21日，第一次临沂之战结束。
这次临沂之战，张、庞两军共歼敌5 000余人，其中五十九军歼敌约4 000人。日军第五师团第九旅团第十一团团长野佑一郎、第三营营长牟