庞炳勋的第3军团被围困在临沂城内，面临全军覆没的命运，然而第五战区已没有部队可以增援临沂。第五战区的所有部队都在打仗，第57军和第89军在淮阴地区打游击，第3集团军在济宁附近作战，第31军和第51军在南线的蚌埠附近作战。南线的战斗也很激烈。元月15日，日军第十三师团从滁县沿津浦线向北推进，至2月2日，第十三师团占领蚌埠、凤阳、定远。****第51军于学忠部及时赶到，在淮河沿岸与日军展开激战。至11日，第51军因兵力、火力不足被迫转移。李宗仁急忙命令张自忠率第59军赶赴固镇阻止日军北进，第21集团军从合肥向明光、定远出击，第31军向上窑、凤阳出击，迫使日军主力退回淮河南岸。20日，张自忠部奉命赶赴临城（今枣庄市薛城区），第51军继续与日军隔淮河对峙。
临沂的战斗正处于危急之中的时候，张自忠的第59军终于赶到了临城，但是他却不愿到临沂作战。他声称在任何战场都可以拼死一战，唯独不能跟庞炳勋在一个战场！
原来在1930年中原大战期间，庞炳勋曾倒戈袭击张自忠部，双方因此结仇，张自忠认为庞炳勋不仁不义，不报此仇誓不罢休。李宗仁只得劝解张自忠以国家为重，万不可因为私人恩怨贻误战机。
3月14日4时，张自忠的第59军强渡沂河，向临沂城外的日军发起猛攻，庞炳勋第3军团趁势出城夹击。血战至17日上午，第59军伤亡6千余人，一线作战部队营长伤亡达三分之一，连、排长全部易人，而日军也已是强弩之末，无力继续发动进攻。当夜，张自忠命令全军发动反击，坂本支队无力抵抗，仓皇撤退至莒县。庞炳勋对张自忠的舍命相救非常感激，两人尽释前嫌，成莫逆之交。
23日，坂本支队卷土重来，与张自忠、庞炳勋两军在沂河两岸展开拉锯战，战斗的激烈程度前所未有。26日夜，庞炳勋报告：“职军伤亡殆尽，总计战斗兵现不满千人。”此时张自忠的兵力也只剩半数。庞、张两军近6个师拼死血战仍无法挡住坂本支队，可见日军武器及训练水平远在****之上。
29日，****一个步兵旅和一个骑兵团的援军抵达临沂，不过还没等他们投入战斗，日军的攻势突然减弱了！原来，台儿庄那边出事了！第十师团濑谷支队对台儿庄久攻不下，只好向第五师团求援，坂本支队受命前往台儿庄支援。因此，临沂的危机顿时解除。
濑谷支队在台儿庄的作战非常不顺利。19日，该部占领峄县（今枣庄市峄城区，台儿庄北侧20公里）；24日，派出以1个步兵大队和1个野炮大队为基干的“台儿庄派遣军”进攻台儿庄。台儿庄有多少****呢？3个师。用两个大队的兵力进攻3个师，只有疯狂的日军才能干出这种事来，也许他们认为****来自石器时代吧。
台儿庄派遣军刚打了几个小时就向旅团长濑谷启报告：因为缺乏弹药，我们停止进攻了。濑谷启赶紧给他们补充弹药，同时又增派了两个步兵中队和两门重炮。
这点援兵当然不够，刚打了一天，台儿庄派遣军报告：敌人太多了，需要增援。这一次，濑谷启给他们增派了一个大队。28、29日激战两天，台儿庄派遣军的进攻还是没有进展。师团长矶谷廉介沉不住气了：怎么还没拿下台儿庄？把主力部队派上去！主力部队？他还不知道濑谷支队的主力已经在台儿庄激战两天了。
30日傍晚，濑谷支队几乎全部到达台儿庄。31日，濑谷支队与守军激战一天，仍然没有取得任何进展！矶谷廉介意识到单凭濑谷支队的力量无法拿下台儿庄，于是他又向台儿庄增派了一个大队（第八旅团第三十九联队第一大队）。
4月1日，日军的进攻还是没有进展！不过他们并不气馁，因为他们的援军就要到了。2日，从临沂战场赶来的坂本支队主力到达台儿庄，日军实力倍增，再次发起猛攻，****孙连仲部拼死坚守，寸步不让。战斗极为惨烈，日军第十联队这样写道：“全部守兵顽强抵抗直到最后”，“此敌于此狭窄的散兵壕内，重叠相枕，力战而死之状，虽为敌人，睹其壮烈亦将为之感叹。”
3日，日军的进攻终于有了“大”的进展，他们的攻坚部队“攻入城内约百米”。4日，日军仅向前推进八十米。5日，日军的进攻未取得任何进展，而守军的抵抗也达到了极限。孙连仲请求李宗仁道：“第二集团军已伤亡十分之七，敌人火力太强，攻势过猛……可否请长官答应暂时撤退到运河南岸，好让第二集团军留点种子，也是长官的大恩大德！”李宗仁的答复是：“务必守至明天拂晓……如违抗命令，当军法从事。”
孙连仲见李宗仁态度坚决，遂向坚守最后据点的池峰武师长说：“士兵打完了你就自己上前填上去。你填过了，我就来填进去。有谁敢退过运河者，杀无赦！”
面对****的拼死顽抗，坂本支队首先撑不住了。此时汤恩伯的第20军团已经切断了坂本支队与后方的联系，坂本支队担心自己被围歼，萌生撤退之意。进攻到此为止吧，保命要紧！他们电告濑谷支