16日，当滕县以北第45军阵地相继失守、第41军第122师已被围困于滕县城中、前线形势已极恶化时，第五战区还在计划将进攻的日军消灭于滕县以北。当日16时下达作战命令，主要内容为：“(1)敌为牵制我鲁南之攻击，现集中济南以南之兵力，由铁路正面向我22集团军猛攻中。(2)战区为击攘沿津浦线南下之敌，从铁道东侧包围该敌，将其聚歼于邹县以南地区。(3)第22集团军应在现地极力拒止敌人，俟85军迂回成功后，转为攻势，以收前后夹击之效。(4)第85军除一部直接支援第22集团军巩固滕县城防外，主力由铁道以东地区向下看埠亘邹县间迂击敌人，到达邹县南方高地附近后，相机向南与22集团军夹击两下店以南之敌而聚歼之。在迂回运动间，须派出极有力之右侧支队警戒前进。(5)第3集团军(欠51军)应全线对当面之敌反攻，并以有力部队由济宁以北地区向兖州以北攻击前进，努力遮断敌之归路并阻止其增援。”第85军第4师先头部队在到达滕县以南的南沙河时，与向临城迂回的日军第63联队先头部队遭遇。汤恩伯抱定“避免临城决战”的方针，急令第85军以“第89师舒旅(第267旅)占领临城、官桥正面”，“主力向东西集山、凤凰庄一带集结”，没有派部队增援滕县。17日晨，日军第63联队开始向官桥进攻，并以一部兵力向官桥以南的临城迂回。经战斗后，第85军退至峄县(今枣庄南)地区，第22集团军总司令部退至利国驿，临城为日军占领。
18日，第20军团的第52军到达韩庄、利国驿地区，以第2师的第8旅占领沙沟，掩护主力在运河南岸布防。
临沂地区战役
日军第5师团为配合津浦路正面第10师团的作战，其坂本支队在休整及增配战车中队后，于3月9日开始在飞机、大炮及战车的掩护下集中兵力，重新从汤头向临沂东北地区的第40军发起进攻。守军虽然拼死抗击，但阵地仍不断被敌人突破。沂河以东、汤头以南的白塔、沙岭、太平、亭子头等处先后失守。第40军被压迫至临沂城郊地区。
早在日军刚攻占汤头时，李宗仁就已电令张自忠的第59军“即日由滕县输送到峄县转赴临沂，接庞(炳勋)任务，击破莒、沂方面之敌，恢复莒、沂两县而扼守之”。此时，第59军正向临沂转进中。李宗仁为了使庞炳勋军与张自忠军能更好地协同作战，特派战区参谋长徐祖诒代表战区司令长官去临沂指导作战。并致电庞炳勋，大意为：临沂为台儿庄及徐州屏障，必须坚决保卫，拒敌前进。除已令张自忠部来增援外，并派本部参谋长前往就近指挥。庞炳勋接电后，重新调整部署，缩短了战线，以第115旅(欠第229团)防守桃园至蒋家庄之线，以第116旅防守蒋家庄至黄山之线，以第229团、补充团及军、师直属队为总预备队，控制于临沂城关地区，以第89师师长马法五为前线总指挥。
3月11日，徐祖诒和张自忠率第59军从峄县急行军，于12日到达临沂城西地区，当日召开作战会议。两位军长统一认识后，由徐祖诒以第五战区司令长官的名义于13日下达了作战命令。主要内容为：“(1)59军以一部确占石家屯一带高地，向葛沟、白塔间分途侧击，牵制敌人之增援；主力由船流至大、小姜庄间渡河，向南旋回，与40军呼应，包围歼灭敌之主力于相公庄、东庄屯、亭子头以南地区。在高里附近之陆战队暂归指挥。(2)40军以主力由沂河东岸与59军呼应，包围敌之主力歼灭之；在沂河西岸之一部，渡河侧击尤家庄附近之敌。(3)两军作战地境(略)。(4)以上各部着于13日晚准备完，14日拂晓开始攻击。”
第59军以第38师附野炮第1营为左翼，于13日16时出发，先以1个营占领茶叶山，掩护师主力在石家屯、刘家湖、钓鱼台地区向东展开；第113旅、第112旅为第一攻击部队，进攻张家庄、白塔、沙岭一带敌人；第114旅为预备队，随师部位于刘家湖。第180师(欠第81旅)附山炮第1营为右翼，13日16时30分出发，至前安静庄、大小妾庄地区向东展开；以第26旅担任第一线攻击部队，进攻徐太平、亭子头一带的敌人；第39旅为预备队，随师部位于中安静附近。军部在进攻开始时位于朱潘村。
14日4时，第59军各部强渡沂河，开始进攻，第39师在河西的部队亦同时向当面之敌进攻。第39师右翼第117旅进展顺利，击退当面之敌后进至东西旺庄、东西沙庄一线；左翼第115旅战斗终日，没有进展。第180师经激战后，于16时攻占亭子头，日军向南撤退。第180师跟踪追击，至15日，先后攻占徐太平、郭太平、大太平等六七个村庄。第38师进攻沙岭，遇到敌人的坚强抗击，激战两昼夜，仍无进展。16日拂晓前，日军增援兵力到达，转为反击，由沙岭从两个旅的结合部渡过沂河，向第38师后方“崖头、刘家湖、苗家庄