第59军作战部队任务明确，第38师为左路纵队，该师以两个旅为攻击队，另以1个旅为预备队，集中在刘家湖附近待命。攻击目标是汤坊涯、白塔至沙岭子一线。务于14日早4点强渡沂河，向日军发起猛攻。
第108师为右路纵队，该师以一个旅为攻击队，左接沙岭子，右至柳杭头一线，攻击目标为亭子头、郭太平、徐太平村的日军据点。
两师受命后，全部官兵准时强渡了百余米宽的沂河。
3月14日凌晨，第59军对日军全线进攻的战斗打响了。
第108师的26旅主攻队，其1个团突然出现在亭子头，并由亭子头西面和北面朝村子中间猛进穿插，同日军展开了肉搏。全团官兵不顾一切，在亭子头村猛攻猛打，与驻守日军逐房进行争夺。全村火光冲天，枪声、炸弹声惊天动地。攻击部队充分发挥自己的近战特长，同守敌一直打到下午4点，日军死伤过半，丢下400多具尸体，朝郭太平、徐太平逃窜。攻击部队乘胜追击，日军在逃到郭太平、徐太平后，利用民房顽抗。日军援兵不断向这里开来，张宗衡旅长急忙又调1个团前去增援。击退援敌后，两团并肩作战，扩大战果。到3月15日，第26旅打败日军，收复了亭子头一带六七个村庄，并就地构筑工事，与敌对战。
左路第38师的主攻部队，经昼夜的激战，占领汤坊涯一线的村庄。日军败退到汤头镇，龟缩固守待援。
但是第38师112旅的进攻不太顺利，他们在攻击沙岭子村时，遇到较大困难。这个村庄很大，房屋分散，而日军沿河构筑了很多据点。最不利的是他们过河后，正面是一片沙滩，无遮无拦。在同敌人进行几个回合的较量后，部队伤亡五六百人。于是112旅被迫退回沂河。张自忠将军震怒了，在这节骨眼上，竟敢擅自撤退，当即将担任主攻的112旅旅长李金阵撤职，任命新兵团团长李九思为旅长，命令其准备再次渡河攻击。
后来，敌军增调过来的一个旅团，于半夜由沙子岭北的一块接合部的缝隙间，偷偷渡过沂河，占领河西渡口，并向崖头、刘家湖、苗家庄一线猛攻，同时以飞机十多架进行配合。
偷渡过河的日军旅团，同第114旅预备队发生激战。张自忠军长接到情报后，马上将全军兵力进行了重新调整：第38师派1个团固守茶叶山，利用茶叶山高地阻击河东方面的进犯之敌，要不惜一切代价，坚守茶叶山阵地，这是我59军的支撑点；军属骑兵营，协同步兵，由新河村进击河东，袭扰日军的侧背；第38师除114旅在刘家湖激战外，河东部队全部撤回，以加强茶叶山沿河阵地的防御。其余部队均集结于余粮村、小安子以南地区，严防日军继续西窜。
第59军于3月14日对日军发起的突然进攻十分见效，敌人一下子全懵了，不知从哪里钻出来这么一支庞大的部队，像是天兵天将一样，日军只有招架之功，没有还手之力。到了第二天，日军明白过来后，也调整了兵力，放弃对临沂的进攻，转回身来对付张自忠的第59军。
坚守临沂的庞炳勋第3军团，见敌人放弃前沿阵地回转身去对付第59军了，于是他们跃出阵地，冲出临沂城，配合兄弟部队共同围歼日军。最先进行反击的是第40军的补充团，全团在李振清团长的率领下，手举大刀以迅雷不及掩耳之势把据守在村子里的敌人打退。他们发现这是日军的一个不大不小的兵站，因此获得无数的粮弹辎重。
战场形势瞬息万变，依据形势的变化，敌我双方都在作重新部署。日军的目的很明确，他们想利用偷渡过河的敌旅为内应，前后夹击第59军，把丢失的阵地夺回来。然后再重新组织力量，攻打临沂城。张自忠军长把兵力部署调整到位，同时给各部队下了死命令，不准后退一步。为此，双方展开了战役开始以来最为激烈的战斗。
首先，偷袭刘家湖一带的日军旅团向第38师的114旅发动了进攻，他们在刘家湖村进行了一场争夺战。第114旅的228团同日军打了一天，直到黄昏，日军才突进村来。村内有一个数亩大的水塘，日军在水塘东面，228团在水塘西面。双方你攻过来，我打过去，阵地几经易手。水边堆积着小山一样高的数百具尸体。228团原有两千余人，现已损失半数以上。
在第59军坚守的茶叶山主阵地上，战斗同样打得惨烈。日军发疯了，不要命地进攻，又是飞机，又是大炮，在坦克轰轰隆隆的马达声中，步兵黑压压地扑过来。为了一座小村庄，几十次反复争夺，双方都付出了惨重的代价。
板垣征四郎打红眼了，张自忠将军也打红眼了。这是战争的最后一分钟，谁能挺住，谁就能取得最后的胜利。这一点张自忠是十分清楚的。英勇的第59军，伤亡巨大，截至3月16日，第38师伤亡近4000人，第108师也伤亡2000余人。全军作战部队中，营长伤亡一半，连、排长则全部换过一遍。但是，全军斗志仍然旺盛，与日军血战到底的决心更加坚定。
在战场外围，从临沂至新安镇一线的公路上，山东人民自发组织起来的担架队、支前队，绵延不断，他们冒着飞机的轰炸和扫射，日夜兼程。
英勇的第59军和第3军团真让山东人民敬佩，山东人民的英勇无畏，也让两军将士感动。
有人心软了，那就是战区参谋长徐祖诒。他再也不忍心让第59军的将士们这样去拼命了。伤亡太大了，应退下去作休整。他电请李宗仁长官，命令该军撤出战斗，加以整补后再继续战斗。
张自忠坚决不同意，他请求参谋长徐祖诒，让他转告第五战区长官司令李宗仁。请允许第59军再打最后一仗，时间就一天一夜，如果不能击退敌人，即遵令撤退。经请示李宗仁长官许可后，同意张军长最后一搏。
常言道：兵熊熊一个，将熊熊一窝。张自忠领导的国民党第59军就是一支同军长一样性格的部队，他们在民族危亡之际，敢于拼命，敢于牺牲，不愧为一支优秀的部队，不愧为中华民族的脊梁。那批刚刚倒下去的6000英灵，为这支部队感到骄傲和自豪。