接連幾天，中日雙方在臨沂苦戰。天上雙方的空軍追逐廝殺，地下每一寸土地反復爭奪，陣地來回易手，打得都很艱苦。
李義得知日軍使用毒氣彈，也不客氣了，馬上空運了一批福建產的芥子氣炸彈到了徐州，當天就給集結的鬼子嘗了個先。這下好了，中日雙方紛紛指責對方使用化學武器，違背了國際法。不過，中日雙方提供的物證彈殼上卻全部都是日文說明。小樣，老子早就防著你這一手了，所有違法武器全部日文標注，哥玩得就是栽贓，不服氣啊！下次，你他媽要敢用，老子還一樣報復使用，還要使用毒性更強的。
如此，臨沂城頭的青天白日旗又飄揚了三天。自負的第5師團師團長坂垣征四郎中將打出了火氣。小小一個臨沂居然如此頑強，皇軍連濟南府都輕易奪取，還能在臨沂翻了船？一定要拿下來！他不顧戰局的變化，給步兵第21旅團旅團長坂本順少將下了死命令，集中整個旅團狂攻臨沂，限三日內攻下，否則自己剖腹去吧！
其實中方援軍早在三天前就可以投入戰斗，但李義指示楊大龍讓龐炳勛多消耗日軍幾日。要知道此時的日軍飛機、大炮、坦克優勢已經是大打折扣，而第40軍可不是原本歷史上的那支部隊，不僅部隊擴張了一多倍達到了28000余人，而且武器質量要好上數倍。再加上在保安軍的建議下，防御工事修得扎實，依托臨沂古城守上十天半月是無憂的。
話雖如此，可躲在臨沂城里挨炮擊的滋味也不好受。一天三遍的向楊大龍發電報，要求增援。
此時，同位西北軍出身的第五十九軍張自忠部已經繞道到達臨沂北郊的沂河西岸，和城內的龐炳勛聯絡上了。按照計劃，張自忠沒有進城接防，他率部直撲湯頭鎮，目標直指日軍坂本旅團部所在。59軍騎兵旅也游蕩在到莒縣的公路上，不斷截擊日軍運輸車輛。保安軍第一軍三個師也快速推進，從臨沂南面渡過沂河后，快速向進攻臨沂當面之敵側擊而去。
保安軍的攻勢可不是蓋得：整團整營的士兵伴隨著攻堅的坦克、裝甲車、自行火炮隆隆開進，行進攻擊一氣呵成。天空大批的飛機助戰，地面面對沒有工事的野戰日軍，那簡直就是掃蕩屠殺。
城頭的龐炳勛也是打老了仗的，馬上命令城里的第四十軍三十九師亦從正面向日軍開始反攻，早憋了一肚子氣的西北漢子們抱著機關槍、揮舞這大刀沖出城門，尾追著撤離的日軍窮打猛追。
日軍向著湯頭鎮撤退。而此時湯頭鎮也打成了一鍋粥。張自忠率領59軍正在攻打坂本旅團部，將僅有兩個大隊護衛的坂本包圍在鎮中心的十幾個大院里。接保安軍第一軍通報從南面來了撤退的日軍，他馬上命令留下第180師由副軍長李文田指揮繼續圍攻坂本，自己率領老底子部隊38師潛出鎮外伏擊撤回來的日軍。
打仗打得就是當機立斷，這是判斷一個將領優秀與否的必要標準。短短的二十多分鐘，張自忠就在湯頭鎮南埋下了伏兵。剛喝口水喘息了一會，狼狽逃竄的兩三千日軍就連滾帶爬的出現了。沒什么好猶豫的，喊一聲“打”38師槍炮齊鳴，將驚魂未定的鬼子打掉了一半。丟出兩顆手榴彈后，張自忠吶喊著親自帶隊沖鋒肉搏。
日軍簡直是要昏掉了。后面追兵立馬就到，不成想在此遇到伏擊，除了搏命死戰怕死再也見不到日本媽媽了！于是，鬼子兵也爆發了決死的風格，退去子彈，挺槍上陣，和西北軍大刀拼在一起。不過，勇武是沒有用的，對上西北軍的大砍刀，小鬼子撐不了幾分鐘就全軍覆沒。
緊跟著，保安軍就涌了過來了。顧不上寒暄，秦二愣就向張自忠了解戰況。正說著，就見59軍騎兵第13旅姚景川旅長派人報信來了，騎兵旅正在逐步阻擊莒縣方向開來的日軍，估計有一個聯隊的兵力，伴隨坦克、裝甲車三四十輛。
秦二愣一聽，馬上就搶了過來，保安軍三個師從湯頭鎮邊穿過，迎著這股日軍前進，打他一個伏擊。湯頭鎮留給59軍。
張自忠知道人家這是搶著干苦活，將擊斃少將的功勞留給自己哩。所以他略一思索，馬上就決定，180師繼續圍攻湯頭，但不要急于殲滅坂本。自己率領38師一道迎接鬼子的援兵。
也來不及爭論了，保安軍三個師呼啦啦掠過湯頭鎮，趕赴汀水、石蓮子鎮附近組織包圍圈。動作都很是著急，不過好在保安軍機動性強，騎兵旅也拼死阻擊遲緩日軍援兵的速度，總算是將就著完成了包圍。
就在放過了騎兵旅的阻擊部隊之后，保安軍就看到了急匆匆追擊而來的日軍部隊。這伙日軍真是心急火燎了。師團長下達了死命令，必須要救出被支那軍包圍在湯頭的坂本旅團長。據說坂本旅團長連訣別電都發了，所以他們不顧被騎兵旅的連續阻擊，一路快速攻擊前進。不過，很快他們就在汀水鎮遇到了阻擊，幾次突擊都被打退，日軍只得停下腳步拉開陣勢，聯絡安慰了坂本少將后，開始布設火炮陣地了。
不過，日軍停下來，對面的保安軍可開始動了。三個方向逐步收攏包圍，自行火炮不斷轟擊日軍的陣地。令鬼子們沒有想到的是，支那軍居然就這么發動了總攻擊，幾十輛坦克、裝甲車掩護著大量的迷彩服士兵突擊了過來。不比不知道，日軍隨行的那幾十輛坦克在人家面前還真是不夠看。塊頭小、速度慢不說，就是火力也弱了幾分。更不要說那靈巧的火箭筒了，簡直就是坦克殺手！
日軍的抵抗堅持了不到半個小時，就被三面的打擊打垮了。無數的自動武器噴射著無情的火焰，將一個個絕望的日軍士兵送上了魂歸東瀛的黃泉路。
看著如此以鋼鐵對鋼鐵、火力對火力的對攻，張自忠驚訝的張大了嘴巴。橫碾橫掃，根本就沒肉搏、大刀片什么事！咱啥時候有這么強的部隊了啊？不過，更讓他覺得不可思議的是，保安軍從來就沒有想過抓什么俘虜。不管有沒有武器，一概射殺了賬！
變態，真是變態！算了，也沒有我們什么事了，我還是回湯頭收拾坂本去吧！
臨沂一戰，統計消滅日軍第5師團步兵第21旅團旅團長坂本順少將以下11000余人。其中保安軍消滅5000多，59軍殺敵4000千多，40軍戰績將近2000人。另外59軍活捉俘虜100多鬼子，40軍也俘虜了十多個。
日軍第五師團死傷過半，臨沂方向的危機暫時解決。