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，已失去战斗力，虽强守九曲店、小李家庄、沭埠岭、黄山一线，但河东的阵地已很难支撑，临沂处在危急之中。
3月27日，日军一部从早上7时开始，向古城南沙埠庄及小岭、北道发起攻击，另一部则从蒙阴南下，袭击临沂西南的朱陈镇。
敌寇又增加1000余人，炮十二三门，配合飞机对临沂城内轮番轰炸。庞军以第三十九师第一一六旅副旅长崔玉海率刘富生第二三一团会同张里元部保安团守城，其余的撤退到城南一带，军部也随之转移到九曲至黄山一线；第五十九军张自忠部则在七德、前后七里屯、前后岗头一带修筑阵地，与敌人展开血战，击毙敌寇百余人。
在日军的猛烈攻击下，临沂已处于危急之中。第五战区派驻在海州的第五十七军缪澄流部王肇治旅赴临沂增援。
鲁北战局危急，战事趋向激烈的时刻，3月27日，老蒋再次赶到徐州亲自督战，亲赴前线车辐山车站，并去台儿庄南站观战。
此地距离前线战场已经不远了，甚至可以清楚的听到前线传来的密集枪炮声。
李宗仁长官连忙劝说道：“委员长之安全系全国长期抗战之成败，万万不可在此久留。”
老蒋摆了摆手说道：“王铭章