庞炳勋的四十军三十九师特务营营长白玉峰，晚年曾特地到沂河以东原战场三官庙、桃园等村实地走访，同当年一些战事目击者座谈回忆。
三官庙村党支部副书记杨青发告诉白玉峰，当时四十军的士兵，光着膀子和敌人拼杀，曾经三进三出，同敌争夺。村里的草房全被烧光。村里、村外，敌遗尸数百具。事后敌人来收尸，把尸体像垛麦捆一样垛起来，泼上汽油烧化。
牺牲在这里的四十军官兵的尸体，也有很多被当地群众就地掩埋了。在桃园村，有位姜老大爷，亲眼看到四十军从汤头撤下来的请况：农历二月初二的下午，大批第四十军官兵从太平方向南撤。有些满脸血汗，手提大刀边走边喊：“老乡们，快跑吧，鬼子来了！”
经他们一喊，全村老少，一晚全跑光了，避免了一场屠杀。在桃园以西沂河滩上，曾经发生过一场恶战。四十军的500多人，白天渡河，被日军用机抢扫色，全部战死在沙滩上。
白玉峰在城北七沟子走访时了解到，在一次战斗中，张自忠的五十九军打死数百名日军，村里的小孩光子弹壳就捡了数百斤。
彭于埠村党支部书记彭守刚回忆说：“村北面有个大庙，里面有四十军构筑的暗堡。一天下雨，敌人的汽车陷在暗堡旁的泥坑里，敌军下来推车，被暗堡里的四十军官兵杀伤很多。有几辆汽车被打坏。没有打坏的，被四十军开走了。
白玉峰还了解到，日军曾将尸体运到孙于埠村集中烧化。村民看见，光烧剩的尸骨，就堆好几车子。
3月26日，临沂的战斗进入白热化状态。日军步兵、炮兵三四千人，西渡沂河向五十九军左翼运动，已到达临沂以北地区；先由高密增援而来的铃木联队也渡河西进，先头部队已到达义堂集附近；同时，在临（沂）费（县）公路距临沂10公里处，又发现千余日军，临沂城陷于敌炮有效色程之内。
此时，四十军已基本丧失战斗力，临沂局面主要靠五十九军支撑。但五十九军也因苦战多日，伤亡过半。
26日晚，张、庞再度紧急会商，认为若不增派援军，临沂恐难再守。战区参谋长徐祖诒将请况告知李宗仁。李宗仁闻报后，立即下令增兵。
27日早7时，集结于义堂集附近的铃木联队，兵分三路向五十九军发起进攻：一路由二十里铺、大岭向小岭攻击，一路经由响河屯攻击南沙埠，一路经城后攻打古城。其中尤以小岭方面战斗最为机烈。日军6架飞机往复盘旋轰炸，村中房屋全被炸毁，浓烟滚滚，火焰烈烈。
三十八师守军因无所依据，阵地曾一度失陷，又被夺回，大部伤亡。眼看阵地将不守，师长黄维纲不得不用电话向张自忠请援。
张自忠说：“你们要坚决顶住！我们困难时，敌人更困难，要坚持最后s分钟！”
黄维纲焦急地说：“问题是正面部队快顶不住了，我这里实在无人可调了！”
张自忠勃然大怒，对着话筒吼道：“没有人吗？为什么还有人说话？”说罢，把话筒重重搁下。
咚的一声，黄维纲只觉得耳朵一麻。他知道，自己已经没有退路了，一摔话筒，直奔阵地督战。
张自忠话虽这么说，却深知黄维纲的为人，不到万不得已，是不轻易求援的。他立即亲率保卫军部的手抢营，还有六七六团二营前往赴援。到达阵地后，他登上南道、北道的小高地，举起望远镜仔细观察敌请。
日军似乎有所察觉，连珠般的炮弹色来，在张自忠周围纷纷爆炸，可他却似钢浇铁铸一般纹丝不动。这等临危不惧的沉稳，立即使军心大稳。
通过观察，张自忠发现敌军的破绽：其左翼攻势猛烈，右翼火力较弱。他立即命令，对左翼佯攻吸引敌人火力，组织敢死队向右翼发动袭击。
敢死队很快组成，队员个个膀大腰圆，眦目衣裂。他们身佩大刀，趁着朦胧夜SE，由小岭村后秘密绕至敌后背，抡圆大刀，杀得鬼子哭爹唤娘，丢盔弃甲。正面部队喊声震天，乘势而上，日军全线崩溃。
3月28日晨，日军又增添千余步兵和12门炮，共纠集4000余人和20余门炮，向小岭、南沙埠、古城发动更加猛烈的反扑。这时的五十九军，已是师劳兵疲、伤亡惨重，但哀兵不倒，喋血抵抗，机战竟日，阵地岿然不动。
日军则源源增兵，攻势不减。五十九军苦撑至入夜，仍不见援军赶来，四面阵地八方告急，张自忠把能抽调的预备队全部投入战斗，自己持刀跃马，往来督战。
他发觉，防守正面过宽，兵力分散，遂当机立断，下令收缩战线，于午夜转移至临沂西北的七得、前后十里铺、前后岗头、道沟之线占领新阵地，以同四十军东西呼应，拱卫临沂城。
坂垣师团被阻临沂之际，正是矶谷师团在台儿庄吃紧待援之时。久攻临沂不克的坂垣暴跳如雷。29日一早，又向五十九军进攻，韦家屯、岗头一线炮火连天，敌兵如麻。
五十九军官兵虽然疲惫至极，仍咬紧牙关，阵地不让敌人半分。战至中午，日军弃尸五六百具，仍进展不得。无奈，日军改变策略，将兵力转移集中，专攻前后岗头。守军坚忍苦撑，击退日军两次进攻。
3月29日，张自忠打电报向李宗仁报告战况：“职军两日以来伤亡两千余人，连前此伤亡达万余人。职一息尚存，决与敌奋战到底。”
正当守军殊死苦战的时候，传来援军已到的好消息，经疲力竭的官兵经神大振。张自忠振臂一呼：“五十九军全线出击！”全体官兵又似下山猛虎、出水蛟龙般地朝敌扑去。此时的日军，也因连战疲乏，惶惧困惫，在山崩海啸面前力不能支，向东北方向逃遁而去。张自忠立刻部署全面反攻。
3月30日拂晓，庞、张两军在增援部队的配合下，全线发起反击，又将坂垣师团赶出30多华里，一直溃退到莒县和汤头，解了临沂之围。
就在这时，矶谷师团的濑谷支队在台儿庄招架不住，日军第二军司令官西尾寿造命令第五师团火速前往救援。垣垣慌忙停止对临沂的进攻，带领主力开往西南。留下的两个大队，在我守军的追击下向汤头退去。
这是临沂之战的第二次胜利。五十九军参谋长李文田在日记中兴奋地写道：“昔日所向披靡不可一世的皇军之坂垣师团，为我中华好男儿已打得威风扫地，'铁军'碰到了打铁汉！”
战斗结束后，张自忠的五十九军和增援部队全部调走，临沂仍由庞炳勋孤军坚守。
庞炳勋的三军团共在临沂坚守一个多月，损失惨重，全部兵力只剩下3000人，还不足一个旅。
李宗仁后来在回忆录中说：“若非张自忠大义凛然，捐弃前嫌，及时赴援，则庞炳勋所部已成瓮中之鳖，必至全军覆没。其感机张氏，自不待言。从此庞、张二人竟成莫逆，为抗战过程中一段佳话。”
