李宗仁提出徐州防务面积大，兵力不够，要求河南的第一战区汤恩伯军团调往徐州增援。蒋介石满口答应。
李宗仁送走了蒋介石，静下来细心地考虑。他觉得有很多人说庞炳勋的不是，这绝对不会是凭空捏造出来的。再说，蒋介石为了守临沂的事，特地从武汉飞到徐州，也不会是瞎操心。想到这些，他越来越觉得不放心。于是，他拿起电话筒，接通了庞炳勋的电话，了解临沂的敌情。庞在电话中告诉他，敌人的先头部队已到达蒙阴，估计两三天后要与在沂水、诸城、莒县的沈鸿烈部交战，不久就会逼近临沂。庞炳勋还说他对临沂保卫战充满信心。
听了庞炳勋一番话，李宗仁也就放心了。
庞炳勋部虽然名义上称军团，那只是个空架子，这是个小军团，只有第四十军一个军，第四十军也只有第三十九师一个师，第三十九师也只有第一一五旅、第一一六旅两个旅，加上炮、工、辎、通各营及军属通讯营、骑兵连、手枪连，合计不过1万余人。因此，庞炳勋也只有两个旅的兵力而已。但他的防线却从黄海边的日照至津浦路的滕县，大约800里宽。这么宽的防线，两个旅的兵力是不够的。所以，庞炳勋当时的部署只是守重点，把兵力集中在临沂附近，先头部队布防在临沂以北的青驼寺、葛沟一线。
2月24日，日军2000余人进攻临沂东北的沂水、诸城、莒县，沈鸿烈的海军陆战队及五战区的第一游击司令刘震东部与敌交战两小时，伤亡大半。沈鸿烈向庞炳勋告急，要求增援。庞炳勋考虑到莒县与临沂近在咫尺，唇亡齿寒，便命令第一一五旅出击莒县。
第一一五旅开赴莒县时，沈鸿烈部已被日军打得七零八落，几乎被全歼。日军占领了莒县城，疯狂地向第一一五旅攻击。旅长朱家麟以一个迫击炮连率先攻击，打得日军晕头转向，四处逃散。朱家麟乘胜命令两个团步兵冲锋，一下子就将日军推出城外。半夜，日军以为中国军队熟睡，从南门偷袭莒县城。岂不知朱家麟早就预料到日军会来这一手，要求部队一半人休息，一半人隐蔽在街道两侧。半夜，朱家麟接到敌人偷袭的报告，叫醒了休息的部队，命令他们与隐蔽部队同时伏击敌人。日军一进入伏击圈，只听一声喊打，12挺机枪率先开火，日军如被砍倒的高粱，一排排倒地。这一仗歼灭日军300多人，缴获各种枪支300多枝。
初战告捷，振奋人心，当李宗仁接到战报后，大喜过望。当即打电话给庞炳勋，表示祝贺。
3月3日，庞炳勋得知日军由蒙阴公路南下至垛庄，便派出补充团，向垛庄出击。补充团连夜赶至垛庄，团长李振清看好地形，指挥两门山炮对准南门敌人据点猛轰，将南门打开一个大缺口，敌人惊慌逃跑。李团长指挥部队穷追不舍。这时，300余名日军乘坐六部汽车，在两辆坦克的掩护下向垛庄增援。李团长命令第一营埋伏在北大石桥附近，当敌汽车驶至桥头时，遭第一营火力袭击。炸毁敌汽车三辆，缴获一辆，毙伤敌130人。
3月6日，庞炳勋接到情报，说坂垣指挥5000名日军，将要占领临沂前头的汤头，为向临沂进攻作准备。庞炳勋便命令第一一六旅在汤头构筑工事，抵抗敌人的来犯。
拂晓前，第一一六旅丁旅长带着第二三二团，冒雨赶到汤头，把二营摆在汤头与葛沟之间的山洼里，自己则带着一营到汤头北边的小山上埋伏。小山高约百余米，山顶较宽大，像个帽子，上面长满了萋萋野草，正好用于隐蔽。他让一营营长把12挺机枪集中在山顶的右侧，对准了山下公路拐弯处，其余部队隐蔽在小山后面。
一切布置完毕，天亮了，雨也停了。丁旅长从望远镜中看见远处隐约有敌兵在集中上汽车。很快又隐约看见汽车向前移动。他发出命令，令部队准备战斗。官兵们一个个圆睁着双眼，伏在阵地上，机枪手也压好了子弹。步枪手里的枪和刺刀在晨光下闪着寒光。
敌人的汽车开到了公路的拐弯处，他们连鬼子说话的声音也隐约可听到了，丁旅长挥臂高喊一声:“弟兄们，打！”
顿时，机枪子弹像疾风般猛扫过去。他们对准了目标，前面的几辆汽车顿时瘫在原地，冒着黑烟和火光，公路被堵塞了。隐蔽在山后及山洼的伏兵，加上山顶上的官兵们，如三把利剑一样，劈向敌人。鬼子见奋勇追杀过来的中国官兵，一片慌乱，四处逃窜，被打死打伤的满地横躺竖卧。不一会儿，敌人的飞机和坦克开始增援，丁旅长立即请示庞炳勋，放弃了汤头阵地。
日军占领汤头后，急骤南下，庞炳勋在望远镜中见敌人有接近距临沂30里远的白塔、太平的趋势，急令第一一六旅第二三一团跑步赶到白塔、太平，阻击拖住敌人，命令补充团由垛庄后撤，抄袭敌人右侧背，命令第一一五旅第二二九团沿沭河东岸，抄敌人左侧背。这三路人马在铜佛官庄与敌人相遇，一直打到午后，敌人的兵力消耗殆尽。这时庞炳勋也赶到前线，命令官兵们作最后的冲锋，一决雌雄。两小时后，敌人被全歼。这次战斗打得敌人心惊胆战，整整有10天没敢向临沂逼近一步。
庞炳勋在临沂指挥部队打了一连串胜仗，引来了一群中外记者，他的事迹在各报刊上发表。徐州各界人士也派代表到部队慰问，送给庞炳勋一面绣着“无敌雄师”的锦旗。
第五师团长坂垣见临沂屡攻不破，暴跳如雷，他没想到最优秀的“大日本皇军”，堂堂的“钢军”，竟然栽在一支名不见经传的中国杂牌军手中。他觉得羞辱，整天拿着望远镜，在鲁南绵亘的山峦上转悠，反思着前段日子失败的原因。最后，他总结出教训，认为是因为攻击面过宽，分散了兵力。一会儿打垛庄，一会儿打汤头，攻打垛庄、汤头受挫后，又转打白塔、太平。“对，一定是这个原因！”坂垣认为自己找到了症结所在。所以，从3月12日起，他调集了本师团最精锐的田野旅团7000余兵力，在35门大炮和31辆坦克的配合下，猛攻临沂外围的东南阵地，企图挽回败局。
可是，这一次，第五师团的算盘打错了。虽然，第三军团的战士们身上只有薄薄的单衣，瘦骨嶙峋的身上，用草绳捆着破旧的步枪和行李——所谓的行李只是一块破布而已，子弹只有可怜的20发，如果不是那层单衣还能看出是军服的话，谁都会认为这是一支土匪。但西北军战士满腔报国的热情却是谁也否认不了的，在这滴水成冰的日子里，支持着第三军团士兵们不倒下去的，是心中那一团熊熊燃烧的信念：宁可战死，也决不能让家乡父老失望，一定要把日本鬼子赶出中国去！
3月12日天一亮，田野旅团就向庞军阵地发起猛攻，前面部队倒下了，后续部队不顾一切向前冲，补充损失的兵力。由于飞机的轮番轰炸，庞军阵地工事被炸塌，伤亡较大。加上几次主动出击，消耗了兵力，庞炳勋深感难以支撑。这时，李宗仁打电话给他，一方面询问战况，一方面问他需要不需要增援。这真是雪中送炭！正在这节骨眼上，有一支生力军支持，庞炳勋当然求之不得。前线危急，李宗仁放下电话，急令参谋长徐祖贻调张自忠的第五十九军迅速由淮河沿线开赴临沂参战。细心的李宗仁突然想起他在多次与徐祖贻的谈话中，察觉出张、庞二人似乎有私仇，而这极有可能影响配合作战。因此，他连忙又打电话，将张自忠叫到了办公室。
张自忠进门，李宗仁亲自为他倒了一杯茶，然后和颜悦色地说:“张将军，临沂告急，我想请你火速解危，不知你有什么困难没有？”
张自忠是个爽快的人，当即便说:“日军在中国犯下滔天大罪，我早就想把部队带上战场杀个痛快。军人的归宿在战场，我没有困难，尤其是李长官下的命令，我百分之百的坚决执行。”
李宗仁正要舒一口气，张自忠却接着说:“李长官有所不知，我对庞瘸子恨之入骨，因此，我不愿与他共事。”
李宗仁听他这么一说，很想解开他俩的疙瘩，便不动声色地说:“张将军，你们究竟有什么深仇大恨呢？”
提起庞炳勋，张自忠脸红脖子粗，骂了起来:“这个搅屎棍不是人，中原大战期间，我与他本是同一条战壕的，在冯大帅的指挥下，集中兵力同老蒋作战。但是，这个没有骨气的软骨头，被老蒋重金收买，在背后朝我打黑枪，弄得我措手不及。就因为他的背叛，那次战斗我们伤亡过半，我也负了重伤。”张自忠气不打一处来，咬牙切齿地说，“李长官，你说这个姓庞的是不是太卑鄙，太无耻。当时我就发誓，此仇不报，决不为人。李长官，你千万不要把我和这个小人搅在一起。”
原来是这么回事！李宗仁明白了两个人之间的问题所在。听了张自忠的话，他沉思了片刻，然后耐心地开导他说:“张将军，我知道你的苦衷。不过，听我一句，你们的恩怨已成了历史，那些都是在打内战时结下的怨，说起这些恩怨，何止你庞、张二将军有呢！现在是抗日战争，我们都是在蒋委员长的领导下，共同抗日嘛。中日之间的战争是两个国家之间的民族矛盾，我们如果不团结一致对付日本人，我们的国家就要灭亡，我们的民族就要遭难，我们的人民就要沦为亡国奴。张将军，我希望你看到庞将军现在在前方浴血奋战，这乃属雪国耻，报国仇。因此，你应该以国家利益为重，捐弃个人前嫌，过去的事暂时放在一边，你看我说的对不对呢？”
张自忠听了李宗仁的一番话，低着头不出声。
李宗仁知道自己的劝说产生了效果，便趁热打铁，严肃地说:“张将军，我现在命令你立即率部驰援临沂，你务必绝对服从庞将军的指挥，切勿迟疑，致误戎机！”
“是！”张自忠十分感动地望着李宗仁，大声地说，“李长官，我明白了，我服从你的命令，立即开拔临沂前线！”
张自忠向李宗仁敬了个礼，义无反顾地执行命令去了。
临沂城中一座有些年头的砖瓦房，是第三军团在这里的指挥所，庞炳勋刚刚放下徐州方面打来的电话，望了一眼桌子边的军官们，严肃地说：“日军此次进攻临沂的先头部队是第五师团，李长官要我们坚决固守，挡住日军第五师团的正面进攻。”
一个团长模样的人苦笑着说：“长官，弟兄我绝不是对李长官的命令有疑义，但是凭我们手头上的这点兵力是挡不住日军的。”
庞炳勋点了点头说：“这我知道，李长官已经调集兵力增援我军了，援军是张自忠的59军！”
听到张自忠的名字，许多人都精神一振，随后又想起了什么，眼神暗淡下去，同属西北军的他们自然知道张自忠一向治军甚严，属下部队战斗力顽强，在旧日的西北军，他和吉鸿昌吉大胆，并称西北军的虎将。中原大战时候，两人的部队就是被作为西北军的救火队使用。部队所到之处，即使中央军精锐也很难抵挡。如果，有张自忠的59军增援，挡住第五师团也不是不可能，但是，张自忠与庞炳勋同在西北军时曾有过一段过节：中原大战的时候，蒋介石收买了庞炳勋，他反戈一击的第一个目标便是友军——张自忠的第6师，当时庞炳勋派人秘密包围了第6师师部，张自忠险险方才逃过一劫，此后，张自忠发誓：不报此仇，誓不为人！
这次，这么好的机会在他手上，不说他从背后捅庞炳勋一刀，就是他按兵不动，第3军团也死无葬身之地了！
一个参谋问道：“长官，张自忠将军的部队现在在哪里？”
庞炳勋一言不发地点了点地图上的一个小点，众人一看，心中更是凉了半截，庞炳勋指的地点是峄县，离临沂足有90公里！
扫视了一圈沉默着的众人，庞炳勋把手按在地图上，说：“咱们西北军的好汉什么时候怕过敌人？是好汉的和我留下打日本鬼子，没种的滚他娘的蛋！40军没有怕死的孬种！”
庞炳勋的话触动了这些西北汉子的神经，心中的不服输的念头起来，纷纷说：“长官说得对，大不了一死，不能让日本鬼子小瞧了咱中国人，小瞧了咱西北军！”“就是，哪个怕死的，赶紧滚！”原本死气沉沉的指挥部内立刻充满了众人豪气万丈的话语，这些粗神经的军人到也真受激！庞炳勋看着这些和自己出生入死的兄弟们，心中象有一团火在燃烧！
3月14日下午，坐镇临沂的庞炳勋，在距离前线只有不到1000米的地方，观察敌情，此时，第3军团已经与日寇殊死搏斗了三日二夜，两军反复进退，阵前遗尸无数。第40军已被日军压迫到城郊，战况惨烈异常！沂河东岸阵地全部失守，城墙被日军重炮轰塌多处。守军损失惨重。庞炳勋庞炳勋不仅将自己的卫队送入了第一线，而且连马夫、伙夫、担架兵、运输兵等非战斗人员也都命令从阵亡者身上搜集枪弹参加守城，投入了战斗，身边只留了几名贴身卫士和传令兵。
日军的大炮隔一阵子就如同雷鸣般响起，机关枪的声音好像暴雨一样密集，飞机在天空中俯冲盘旋，第3军团的阵地上一片火海！
参谋长悄声走近庞炳勋，低声说：“军团长，这里守不住了，我看不如把剩余的人马拉出去，咱们撤吧！”
庞炳勋狠狠瞪了一眼参谋长：“撤？！往哪里撤？！我们撤了，临沂怎么办？他韩复渠可以抛弃山东父老，我庞炳勋不作那忘恩负义的人，决不能对不起临沂的父老！我今天哪怕死在这里，也决不后退一步！”
好一会儿，他对着红着脸站在一边的参谋长说：“我现在没别的选择了，只有战死在临沂。参谋长，趁现在还来得及，你赶快走吧，带上我的妻儿老小一齐走，把这里的情况向徐州李长官禀报一下。”
现在的40军形势极其危急，可以说离被敌人消灭也不远了，刚才得到消息，日军已占领河对岸的东部制高点，山上一个营的弟兄们已全部阵亡，而前线总指挥马法五更是打来电话，他那里已经没有人了，40军的阵线已经摇摇欲坠了！
庞炳勋亲眼看到一个小队的日军士兵冲进临沂城内，尽管很快被我军消灭了，但足以证明40军的防线已经千疮百孔了。
他既然有了必死的信念，也不在乎什么个人安危了，亲自来到了前线指挥所，马法五见他亲自到来，大吃一惊！急忙道：“军团长，你怎么你怎么来这了！？“
他挥了挥手：“你不用管我！该干什么干什么，你跟着我这么多年了，一直都是我的得力干将，辛苦你了！”
庞炳勋的到来，给了前线战士们莫大的士气，他们鼓起残存的力气，打退了日寇的又一波攻势。
马法五流着泪说：“军团长，你快走吧，下一次日寇再冲上来，弟兄们可就顶不住了，你快走吧，这里太危险了！”
庞炳勋叹了口气道：“我已经誓与临沂共存亡了，那有临阵脱逃的道理！？大不了和战士们死在一起！也算是取义成仁了！也算对得起委员长的教诲了！”说道这里他自嘲似地苦笑了一下。
马法五见庞炳勋不为所动，终于点了点头，擦去了眼中的泪，他那张脸上满是烟尘和汗水，这一擦，脸上更是黑乎乎一片。
眼见着日寇又发起了新一波的攻势，甚至能看清端着枪的日寇脸上的凶残神情！
庞炳勋心中暗想：自己年将60，一腿尚瘸，了无牵挂，能在青史上留名，也算不白活了！
正当第40军的战士们都以为自己这次必死无疑的时候，日寇第五师团的侧翼忽然传来了猛烈的枪炮声！正在冲锋的日军士兵冲到一半的时候忽然撤回，第40军的士兵们原本只剩一点点的力气，看到这种情形，立刻有了希望，不知道哪里来的力气，在前线指挥抓住时机的命令下，打了一个漂亮的反击，一举将正面的日军击退！
日军侧翼的喊杀声越来越大，然后一支部队出现在第40军战士们的眼中，是身穿灰色军服的中国军队，阵地上顿时一片沸腾！不少战士大声欢呼：“援军来了！”