小鬼子连续不断向鲁南地区增兵，除了第十师团主力全部赶到了台儿庄一线，猛攻台儿庄之外，日军第五师团也再次卷土重来，对临沂发动了猛烈的进攻。
为了协助进攻台儿庄的第10师团，3月23日，第五师团复派增援部队4000余人，会同莒县、汤头的残敌，再次对据守临沂的庞炳勋军团发动了猛烈的进攻。
24日，敌机到庞军阵地大施轰炸，9门敌炮昼夜不停地扫射。由于第五十九军张自忠部伤亡太大，除留一个旅的兵力协助庞炳勋部守卫临沂外，主力已于19日离开临沂转向费县休整，准备向泗水、滕县方面转进。在敌人强大兵力的攻击下，庞军力战不支，被迫退至城东桃园、黄山一带防守，临沂形势又趋危急。为确保临沂，解围庞军，张自忠部于25日重返临沂增援，在韦家屯、桃园等地与敌寇进行激战，并东渡沂河，占领了桃园。
3月26日，日军1000余人，在十几门大炮的掩护下，绕道转至临沂西冯义堂一带，伺机环攻取城。张军急派重兵在城西娘娘庙至大岭一线布防，以阻止敌人的进犯。但是攻击三官庙的张军一部分，因损失极大，停止了进攻。日军借机占领了营子、乾沂庄、沙埠庄等村庄。而此时的庞炳勋部因兵力损失过大，