时至十七日凌晨，小鬼子全力攻击崖头、刘家湖、茶叶山阵地，经密集炮火摧毁后，日军占领了这三处阵地。张自忠急令两个旅增援，奋力抵抗，肉搏多次，终于将丢失的阵地全部夺回，小鬼子大部被歼。
同日，庞炳勋部也发动强大攻势，激战一昼夜，先后占领尤家庄、傅家屯、东西水湖崖、沙河一带，小鬼子退守李家五湖、傅家池、草坡一线。到十八日早晨，庞、张两军一齐从东、南、西三面夹击汤头、傅家池、草坡一线的敌人，经三天血战，临沂方面的敌人约三个联队被完全歼灭，残敌大部逃向莒县，一部向北撤退。
此战，张、庞两军共歼敌四千余人，其中第五十九军歼敌三千余人。小鬼子用载重汽车运回莒县的尸体达一百六十余车，在汤头、葛沟屡次焚化的尸体、来不及运回就地掩埋者达八百具。中国军队也为争取胜利付出了惨重的代价。
日寇不甘心在临沂战役中的失败，于三月二十日，复派增援部队四千余人，会同莒县、汤头的残敌，又向庞军阵地展开反攻。
二十四日，敌机到庞军阵地大施轰炸，九门敌炮昼夜不停地轰炸。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，主力已于十九日离开临沂转向费县