张自忠没有被当前的不利局面所动摇，他冷静地分析了战场的得失，认清战场的有利因素和不利因素，发扬自家的长处，克服短处。现在敌我双方都处在最困难的时候，从整个战场情况看，日军损失也不小，他们来到此地没有充足的后方保证，大量伤员无人救治，这自然影响到日军的士气。遭到重创的板垣师团，在这种情况下，没有能力组织更大规模的进攻反扑。当然他们同样会认为，国民党的第59军也不可能有能力对他们进行全线的进攻。张自忠想到这里，眼睛一亮，自以为是的日军王牌军，肯定会这样想，他们从没把中国军队放在眼里，对中国军队的估计不够，这是他们致命的弱点，必须好好地利用日军的这种心理。

    张军长俯在地图上，用笔一个点、一个圈地画着。他想对日军来个反其道而行之，他们越是认为不可能的事，就给他们来个可能。只要我军坚持到底，只要把道理向将士们讲明白，绝处逢生的事情就可能发生。但必须选准进攻目标，给敌人以最致命的打击，才能一鼓作气摧垮敌人。

    要打败日军，先得摧毁他们的精神。要摧毁日军的精神，就得打得猛、打得狠、打得有气势。张自忠想把全军的家底拉出去，置之死地而后生！他抬头看看天，天空阴沉沉的。这办法可行。张自忠想好了，他想得很周全，包括打不退敌人后如何撤退的事，他都想到了。

    他把拳头朝桌子上一砸，咚的一声，把身边的几个参谋吓一跳，张自忠叫参谋去通知黄维纲师长和刘振三师长，让他们火速赶到军部，就说有重大军情相商。

    黄维纲师长和刘振三师长风风火火来到了军部。张自忠在地图桌案边抬头看着他俩，像是从没有见过两位师长一样。刘振三低头打量着自己，没有什么地方不对劲呀，军长咋用这个眼光看我们呢？他正想问军长，军长先开口了，他说，上方不让我们打了，让我们下去休整，但是我没有同意。

    黄维纲师长沉不住气，他把皮带解开，往桌上一撂说，那哪儿成！仗都打到这个份上了，是谁都不愿撤下去。军长，你说下步咋打吧？咱就同板垣干！刘振三师长摆着手说，军长，不能就这样不明不白地下去呀，不仅国人耻笑我们，也对不起几千名牺牲的兄弟们呀。我们拼到底，来他个鱼死网破。

    张自忠最了解他的部下，不说他不答应撤，就是答应了，这些部下的工作也不好做呀。他对两位师长说，我已请求李长官，允许我们再打一天一夜，给官兵们讲清楚。他说着停顿了一下，接着又说，我军伤亡很大，敌人伤亡也大，敌我双方都在苦撑。战争的胜负，决定于谁能坚持最后5分钟。

    他们在一起商讨了最后的作战方案。作战方案成熟后，张自忠军长亲自向全军指挥官作了部署。时任第59军108师作战参谋的顾相贞回忆当时下达命令的具体内容时，他这样写的：

    一、3月17日，军、师所有山炮、野炮及重迫击炮全部推进到两师第一线，带上所有炮弹，听候第一线指挥命令，在黄昏前，将全部炮弹倾向敌阵；

    二、军部仍在原地，由副军长指挥；

    三、第三十八师黄维纲师长带领预备队，到刘家湖第一线指挥，限令黄昏前将所有炮弹发射完毕，然后规定好野战的暗号，命令一线部队一齐出击；

    四、第一零八师刘振三师长和祁光远旅长亲自到诸葛城一线指挥，将所有炮弹发射完后，即令第七一五团全团向苗家庄之敌攻击；

    五、第二十六旅张宗衡旅长率全旅在刘家湖、苗家庄之间及时策应两师作战。

    张自忠下达的这道命令，表明了决定倾尽全力与板垣师团决一雌雄的决心。他在进攻前对几个主攻旅的旅长说，这次攻击，只许胜利，不许失败，否则军法无情！第59军时机选得非常得当，一是日军因伤亡过重，已无力发动强攻；再者选择黄昏，利用敌人得不到飞机支援，而又不习惯夜战的有利条件，向日军发动全线进攻，让日军前后左右都不得相顾。

    3月17日黄昏，英勇的第59军向敌发起空前猛烈的攻击，雷霆万钧，大地震颤。这气势、这规模让疲惫至极的日军毛骨悚然，从精神上摧垮了不可一世的日军士兵。

    大炮刚停，战场上杀声四起，在漆黑的夜晚，这声音具有很强的震慑力，从杀声里，从吼声中，日本兵好像感悟了什么：中华民族是不可征服的民族！他们能体会到这个吗？我想不能，他们就像德国纳粹，眼里只有日耳曼人。日本人也是一样，瞧不起大和以外的民族，更瞧不起支那人，在他们心里，矮小的大和民族最优秀，人种最好。所以他们到处暴奸亚洲妇女，像一群野猪。

    第59军的38师，首先以压制优势冲进日军占据的刘家湖村，经过手榴弹和大刀的拼杀，日军终于被全部击溃了。他们丢下四五百具尸体，狼狈地朝汤头逃去。与此同时，第108师向苗家庄的敌人进攻，第715团团长率全团冲进村庄，战士们个个奋勇争先，把敌人逼迫在村内。然后一座房屋一座院落地同敌人争夺。整个村庄枪声大作，杀声一片，直到午夜，才把日军打垮。仅村外树林里，就有两百多具尸体。

    全线激战一夜，不仅打退了进犯临沂的日军部队，还把偷渡到河西的一个旅团击毙近半。天亮打扫战场时，发现日军遗弃的尸体中有第11联队长长野左一郎、第3大队长丰田中佐及第9中队长等多名军官。据俘虏的一等兵陆夫说，这次沂河两岸战斗，第5师团坂本支队伤亡约3000多人。

    日军大部退向莒县，一部退到汤头。张自忠命令第38师的114旅追击，又杀伤了大量敌人。临沂外围的阵地全部收复，至此临沂大捷告成。

    第59军参谋长张克侠兴奋地在日记中写道：昔日所向披靡不可一世的皇军之板垣师团，为我中华好男儿打得威风扫地，“铁军”碰到了打铁汉！

    3月17日上午，蒋介石致电李宗仁、张自忠、庞炳勋，电报说：

    临沂捷报频传，殊堪嘉慰。仍希督率所部，确切协同，包围敌人于战场附近而歼灭之。如敌脱逸须跟踪猛追，开作战以来歼敌之新纪录，借报国军之气势，有厚望焉。

    随后，来自全国各界的电报飞如雪片。是呀，国人怎么会不激动呢？

    中国军民备受鼓舞。但是在胜利面前，张自忠和他的全军将士没有放松对敌人的战斗，他们在捷报频传、庆祝胜利的欢呼声中，继续追击敌人。

    3月18日，第59军和第3军团一道，把打残的坂本支队包围在汤头一带。正要发起围歼时，第59军突然接到第五战区命令，令第59军留一旅归庞炳勋指挥，其余部队即向费县转进。

    军令如山。张自忠只好放弃眼前歼敌的有利战机，执行战区命令。

    随着后来事态的发展，人们才知道，就此结束的只是第一次临沂之战。