庞炳勋的第3军团下辖1个军，即第40军，军长由庞炳勋兼任。军部是乙种编制，直属1个特务营，1个39师，师长马法五。师辖两个步兵旅，115旅和116旅，还有1个补充团和炮兵、工兵、辎重、通讯各为1营，再是骑兵300人。1.3万人的队伍，在庞炳勋的率领下，浩浩荡荡开赴临沂。
第3军团到达临沂后，立即组织各级参谋人员察看周围地形，并召开营以上长官和参谋联席会议，研究敌情，制定攻守方法。在确定出初步的作战方案后，第116旅便沿汤头至葛沟一线构筑前线阵地，并从白塔起顺沂河东岸向南一直到郁九曲一线构筑了主阵地。
庞炳勋觉得这还不够，李宗仁长官把镇守临沂的任务交给第3军团，这副担子是很重的。临沂距台儿庄只有90公里，如果临沂失守，那么徐州是肯定保不住的。于是，他又多想了一层，命令参谋人员去临沂以西的山区，把那个地方的有利地形侦察清楚。到临沂真是守不住的时候，他准备带部队在西边山区同日军开展游击战，想方设法地把日军困在临沂一带，决不能放一兵一卒过临沂。
抗日战争时的庞炳勋，像是换了一个人似的，他要以自己的爱国热情和一腔热血，谱写出他后半生的华丽篇章，为国人树立一个真正的庞炳勋的形象。
第3军团在临沂驻扎下来了。40军军部和39师师部同驻在南关的省立第三乡村师范学校，周围有炮兵、工兵、辎重和通讯的4个营；朱家麟的115旅驻城东相公庄一带，旁边放有一支骑兵部队；李运通旅长的116旅驻城北诸葛城一带；李振清团长的补充团驻城关附近。
驻在临沂县城的还有当时国民党第三督察专员公署，专员张里元手下有1个保安团。这个保安团很有战斗力，武器装备超过庞炳勋的正规军。
在庞炳勋到达临沂城时，张里元专员接到第五战区李宗仁的电报，临沂保安团归属庞将军指挥调配。庞炳勋安排保安团驻守县城，维护治安，留着当预备队。
庞炳勋刚把布防事宜安排好，就有侦察情报报告，说有2000多人的伪军在沂水、诸城、莒县一带与沈鸿烈的海军陆战队和第五战区第1游击队司令刘振东部进行激战。沈鸿烈部和刘振东部可能抵挡不住，敌人有进逼临沂的态势。
李宗仁发来电报，命令庞炳勋派兵支援。庞炳勋速派115旅的229团和230团，并配置山炮两门，增援莒县。副旅长黄书勋率领第229团为右翼，朱家麟旅长率230团为左翼。
2月26日，右翼的第229团到达莒县，当即进城占领阵地。城内一片死寂，并没有谁在这里打仗呀。左翼的第230团这时已到达城西的村庄，他们与城内的229团遥相呼应。次日拂晓，有敌兵千余人突将莒县城西、北两面包围，切断了左右翼之间的联系，随后敌人炮火猛轰城内的第229团。团长邵恩三左臂受伤，士兵伤亡严重。邵团长带伤指挥战斗，直到下午2时左右，才把进攻的敌人打退。
莒县外围的第230团被另一批敌军牵制，无法策应第229团。城内的229团经一天的激战，趁天黑正在修补工事。谁知半夜时分，敌人又大举进攻莒县，照明弹把莒县照得跟白昼一般，让敌人看得很清楚。有1个班的敌兵，带有轻机枪，偷偷摸上城墙西北角，凭借猛烈的火力向城东南进行扫射。城北守军顿时混乱，纷纷朝南门撤退。关键时刻，黄副旅长亲自登上南城门楼，组织火力压制住西北角城墙的敌人，并命令炮兵向西北角发射炮弹，这样才把偷袭之敌全部消灭。
28日拂晓，大批敌军又悄悄登上东北角的城墙并很快向西、南展开。
229团组织火力反击，没有控制住敌人。邵团长坚决主张进行巷战，与城共存亡。黄副旅长认为自己处于劣势，情况不明，不能死打硬拼，下命令全部守军自城南门撤退。撤出的部队才同朱旅长的第230团会合。
3月1日，敌人追到一个叫夏庄的地方，朱旅长命令阻击，采取且战且退的方式，沿沭河两岸，撤退到临沂东面的相公庄一带。此次出击歼敌200余人，自己伤亡500多人。
朱家麟向庞炳勋报告失败原因：一是不明敌情，初得情报说是刘桂堂部队伪军，通过战场接触，才知是板垣师团的田野旅团；二是不熟悉地形环境，战斗一开始左、右两翼就被敌人切断，不知朝什么地方走才能策应莒县的229团，以致造成229团的重大损失。
庞炳勋认真地察看地图，他想这个板垣师团真的要开过来了，同这个王牌的大较量在一天天地接近。庞炳勋认为，主动出击没有错，只是要总结战场教训，以利于下次再战。
第3军团的主动出击，不仅仅表明庞炳勋的对日作战不是以保存实力为目的的动机，更重要的是表明他想控制战场的主动权，变被动为主动，瞄准时机，打击日军的嚣张气焰。哪怕是在第3军团最危急的时刻，庞将军也不放过这种机会。他认为主动出击，不仅机动灵活，还可出其不意杀伤敌人。比如，在临沂正面战场打得正是激烈的时候，侦察人员报告有一股日军由蒙阴沿公路南下，庞炳勋毫不犹豫，立马派补充团前去袭击这股敌人。李振清团长率补充团火速奔向垛庄方向，并在垛庄以南约40里处的一个小村庄发现了这股日军。百十余人的日军，携有1门小炮1挺重机枪，他们据守在村庄里。天黑的时候，李团长命令炮连朝村内开炮，但日军不战，龟缩在村内。由于地形不熟，补充团不敢贸然进攻，只好派1连兵力监视敌人，准备拂晓进行攻击。出乎意料的是日军竟连夜朝垛庄逃跑。
日军不战而逃，这让李团长感到意外，他命令追击。补充团追击到垛庄，这股敌人便在垛庄寨内据守。李振清团长观察了一下地形。命令1营埋伏在垛庄北8里处大石桥附近，阻击敌人援兵。垛庄里的这股日军八成是想以村内的土围子为依托，固守待援。他命令补充团机动队冲进垛庄外寨。
在垛庄外寨的机动队向南运动时，遭到日军重机枪的阻挡。于是他们朝庄里猛掷手榴弹，这股敌兵十分顽固，同李振清的补充团周旋了一整夜。
第二天拂晓，李团长感到拖的时间太长了，不能再同日军耗时间了，便命令第2营爬寨墙，第3营攻寨门，向垛庄发动总攻。当第2营一部分战士刚爬上寨墙时，突然来了3架日军的飞机，低空盘旋时投下一个信号袋，说是派1小队，汽车6辆，前来垛庄接应，然后便对进攻的补充团进行狂轰滥炸。李团长意识到垛庄里的敌人可能是条大鱼，否则日军是不会出动飞机的。在日军飞机的轰炸下，补充团虽说伤亡较大，但仍没有放弃对垛庄的攻击。
垛庄北面的八里桥，果然来了6辆大卡车，还有两辆战车掩护。埋伏在大石桥附近的第1营不管这些，先炸毁日军3辆汽车，双方开始了激战。
救援日军无心恋战，他们丢下十几具尸体和1辆全新汽车，一股脑儿地朝垛庄跑。
垛庄的李振清补充团还在同日军战斗，不打垮这股日军就不退兵。他们重新组织进攻的力量，大石桥的第1营也追过来了。好呀，李团长喊了一声。军团部派来了传令兵，命令李振清团长火速返回临沂城。临沂城正面的汤头、葛沟一线吃紧，大有被日军攻占的可能。
李团长把缴获的1辆大卡车和大量枪支、物资统统运了回来，这次出击取得一个小小的胜利，同时还打乱了敌人进攻步骤，分散了敌军的注意力，这是庞炳勋没有预料到的。
第二天据老百姓报告，垛庄的那队日本兵撤走了。他们整整装了一大卡车日本兵的尸体，至于这股日本兵由谁率领，从蒙阴出来干什么，也许永远都成为一个谜团了。
庞炳勋的两次主动出击还真让号称铁军的板垣第5师团感到有些意外。担任板垣师团参谋长的梅津大佐是比较谨慎的。在出兵之前他就提醒过板垣师团长，说正面的防守部队是庞炳勋将军的第3师团，大约有1.3万余人，加上地方武装，约有1.7万的兵力。
板垣征四郎看过情报部门送过来的资料，他不屑一顾地说，庞炳勋不过是蒋介石手下的一个杂牌军，不堪一击。
不过，他们抵抗得很凶猛。梅津大佐站在参谋长的位置上，鼓着勇气又一次提醒自己的师团长说，从两次主动出击的情况看，这个庞炳勋还是会打仗的。据说，他的士兵多为中国沧县一带的人，而沧州古称幽燕，民风刚强、好斗，而庞炳勋又……梅津自以为是中国通，板垣根本不想听这些。他从青岛势如破竹地打到临沂，眼看就要到台儿庄了。到了台儿庄，同第10师团一会合，谁还能抵挡得住啊。
现在的板垣不仅轻敌，而且狂妄到了极点，他认为任何一支支那部队，在他所率领的铁军面前，都不过是一堆粪土，充其量是一群蚂蚁。他让梅津不要听中国人自我吹嘘，什么幽燕？能抵得住飞机、大炮、坦克的轰击吗？
板垣征四郎不承认自己是个倒霉蛋。他领导的这支铁军在山西刚露头角，就在平型关一带遭到共产党领导的八路军第115师的重创。但是，狗改不了吃屎的本性，即使你把狗揍趴下，甚至打断腿，打破头，它爬起来照样吃屎。板垣征四郎就是这样一个不知悔改的货色。愚蠢的板垣征四郎不知道，在往后一段不长的日子里，还有更大的灾难在等候着他。
现在的板垣征四郎可以说考虑不了那么多的事，他只想早日打通临沂，快速赶到台儿庄，立个头功给日本大本营看看。立头功、立大功的迫切欲望让板垣征四郎利令智昏，他让田野旅团紧紧咬住庞炳勋的第3军团，后续的增援部队快速跟进，想一举打败庞炳勋，不在临沂这个地方拖时间。
中国有句古话说得好，叫欲速则不达。板垣师团性急，日本大本营也性急，他们企图在一夜之间把中国吞并，甚至贪婪到恨不得把中国这块宝地抱回家，这是一切侵略者共有的本性。