徐州第五战区防御战是个体系，东西南北各个战场是相互关联的一个整体，一个地方出问题都要牵连到其他地方的战况变化。日军在台儿庄战败后，矶谷师团分别由台儿庄至枣庄铁路支线、公路沿线突围，向北退却。因汤恩伯第20军团行动不坚决，造成追击部队被日军后方的掩护部队所堵截，致使矶谷廉介的败军退到安全地带。而孙连仲的第2集团军消耗太大，奋力追击，所取得的战果也不大。退到峄县、枣庄地区的矶谷师团，在獐山、天柱山、峄县以东地区重新组织抵抗，固守待援。
孙连仲的主力追击到獐山东西一线，被矶谷师团疯狂地阻击，不能扩大战果。汤恩伯军团向峄县的日军围攻也没有新进展。他借口说是孙连仲没有打好，他的军团受到来自獐山敌炮兵的侧击，造成进攻受到影响。于是变更进攻部署，改由峄县东北地区向日军侧后实行包围攻击战术，但是没有成功，被敌人在税郭附近的反攻所阻止，这样一来便形成了僵持的局面，使矶谷争得时间坐等援兵。
就在孙连仲、汤恩伯与矶谷对峙之际，临沂方面的板垣师团首先得到来自青岛方面援军的大力协助。坚守临沂的中国军队仍然是张自忠将军的第59军和庞炳勋的第3军团。两支部队早已伤亡过半，疲劳之极。特别是张自忠的第59军，作为第五战区的机动部队，增援了徐州南线的于学忠部，打退从南京过来的日本军队后，又调转头去增援滕县。在去滕县的半道上，又奉命改去临沂增援庞炳勋的第3军团。第59军会同庞炳勋第一次打垮了板坦师团，战局刚有好转，又奉命将张自忠调往滕县方面。第59军前脚离开临沂，板垣师团后脚就进攻庞炳勋。
第五战区为确保台儿庄大战的胜利，又调张自忠重返临沂。第59军刚到费县，还没坐下来歇口气，便又拔腿调头朝临沂赶去。临沂的形势早已发生变化，有利的局面已经不存在了。张自忠与庞炳勋一道，恶战板垣师团四五天时间，在难以支撑的时候得到增援。第59军、第3军团和增援部队王肇治旅一道，开始大反攻，将敌截为两段，敌主力溃退莒县，另一部逃到临沂西南方向的朱阵，闭寨困守。张自忠、庞炳勋取得临沂保卫战中的第二次胜利。
到4月中旬，板垣师团得到大本营的补充，又有青岛过来的日军增援，便开始对临沂实行第三次攻击。
张自忠的第59军和庞炳勋的第3军团在两保临沂的血战中，消耗巨大。庞将军的第3军团不用说了，就是第59军这样有战斗力的部队，在临沂外围野战中，也付出了沉重的代价。第五战区知道张自忠的困难，又调李仙洲的第92军向临沂增援。但李仙洲的第92军还没有到达，临沂就失守了。
就在板垣师团主力进攻临沂的时候，日军另一支退败到朱阵固守的部队乘机南下，朝汤恩伯第20军侧背的项城方面进军。汤恩伯误以为是板垣师团主力，急忙命令第52军、第85军从峄县、枣庄一带撤退，一直退到江苏的邳县，致使日军占领了郯城。
第五战区急忙致电张自忠第59军，说日军占领临沂、郯城后，正南进想切断陇海路，令第59军即由现驻地出发，渡沂河截击由郯城南进之敌。
张军长召集团以上军官讲明新情况、新任务，当即令第180师由吴家道口渡河，向大王庄前进，军部随后跟进。先头侦察部队得知日军已从郯城向南出动，马上向军部作了报告。
第59军前卫营在大王庄与日军遭遇，在村庄发生激烈战斗。敌人的后续部队赶到后，张宗衡旅长命令部队撤出村庄，在野外麦地里同敌人对战。就在这时第180师和军部都已到达，日军不敢贸进。
刘振三师长察看地形后，对部队防御作了部署：第26旅以676团为第一线，占领展庄、大拐村等；第39旅镇守冯庄，除对西、北两面严密戒备外，随时策应第26旅作战。师部直属队位于左翼村庄。各部调整后，连夜构筑环村工事，挖交通壕，达到既相互联系又能独立作战的要求。
第59军同日军作战早已打出了经验。当日军飞机、大炮轰炸时，全部隐藏在防护沟和藏身洞里，尽最大可能地保护好自己，不让敌炮火、飞机杀伤部队的有生力量。在日军进攻时，张自忠指挥沉着，轻、重武器全部准备好，并让全体官兵听从命令，统一开火。日军步兵上来了，鼻子眼睛都能看清楚了，指挥官一声令下，轻重机枪、步枪、手榴弹一齐开火，冲上来的一线日军两百人，几乎全部倒在前沿阵地上。
日军吃了亏，并不总结教训，他们又组织力量，还是先炮轰，然后步兵冲锋。这样反复了三次，全被击溃，直到黄昏，他们也没有攻破阵地，还被守军击毙四五百人。第59军凭借环型工事，伤亡极少。
第二天清晨，日军用大炮猛烈轰击后，改变了进攻方法，他们从冯家窖到王庄，分成多路隐蔽前进，摆出一副怕死的样子。直到中午，才同中国军队接上火，接上火的是日军的先头部队，在后面便是大队人马。各路日军一起向展庄扑来，来势凶猛并且迅速，双方在展庄村内村外激烈厮杀，杀声响彻整个村庄。激战到下午，日军又上了增援部队，将展庄东半部占领。第676团坚持在展庄西半部。
展庄内展开了巷战、肉搏战。
张自忠军长、刘振三师长知道展庄情况，派第39旅的1个团前去增援。同时命令张宗衡旅长，就是付出再大的伤亡，绝对不许放弃原占领阵地，并限令第26旅收复展庄东半部。
张宗衡旅长亲自到展庄一线作重新部署和调整。他以5个营的兵力在村内同日军争夺，以两个营在村外策应。刘振三师长也赶到第26旅督战。
张宗衡趁天没亮，正是日军最麻痹的时间，带特务连上火线参加战斗。村中战斗打响了，战士先集中手榴弹向日军占领的院内猛投，然后再由挖出的墙洞朝里冲。各营、各连都分配有进攻的院落，用这种出敌意料的办法，迫使敌人全部败退出展庄。在展庄的战斗中，第59军伤亡六七百人，日军伤亡上千人。
日军退走以后，军长、师长都来到阵地视察，张自忠、刘振三都意识到日军会来报复，他们一定会仿效黑袭的战法，对第59军的阵地进行偷袭。所以军部命令所有部队，都必须构筑坚固的野战工事，以高度的警惕，防止日军的偷袭。
日军果然采取了偷袭的办法，他们改变不打夜战的常规，悄悄地把部队分成几十小股，黑夜道路不熟，还抓了当地老百姓，强迫他们带路。日军先是潜伏在第59军前后左右驻地外的麦地里，将各村之间联系的电话线切断，紧接着向各村的防守部队和第180师师部同时夜袭。一时间，四下里一片喊声、枪声，守卫部队同师部失去联络，各村只好各自为战。
由于事前有所准备，各村守军并没有因此慌乱，他们凭借着坚固的工事，同偷袭的日军进行战斗，等到半夜时分，日军见守军没有动摇，并且防守有条有理，便自动放弃，撤了回去。
日军没能从第59军的防线突破南下，就把部队撤退到郯城。而张自忠的第59军也没有能力进攻郯城的敌人，双方在防线上相互对峙。张自忠将军的部队抓紧休整，每日除加强工事，就是演习村落战。
临沂失守前后，城北、城西上百个村庄被日军飞机、大炮夷为平地，家畜家禽、财物被日本兵抢劫一空，村民惨遭日军野蛮屠杀。临沂地区人民是英雄的、光荣的，他们忍受着巨大的悲痛，全力以赴支援抗战，表现出伟大的民族气节和崇高的爱国精神。
张自忠、庞炳勋部队的许多伤员，得到临沂地区人民的救治和掩护，伤愈后，又返回抗日前线。他们终身都无法忘却山东人民对抗战子弟兵的恩情。