3月18日晚，张自忠召集师旅长会议。
他说：“从3月14日拂晓，我军同日军开战以来，至今已打了整整五昼夜。由于全军将士奋勇杀敌，终于将号称‘铁军’板垣师团打垮了！临沂作战大捷，国人对我59军高看一眼。我们感到光荣！我们应当珍视这个荣誉。因为它是弟兄们用鲜血和生命换来的！它比金钱更珍贵！但是我们不能骄傲。因为板垣还没有死，他的部队还没有光。他们决不会甘心失败，还会集结兵力伺机反扑。所以，我们必须乘胜追击，把他们彻底消灭！”
张自忠决定：第59军第3次东渡沂河，分兵两路发起追击作战。各部队任务是：38师以一部占领辇沂庄、东庄之线对北警戒；主力攻击汤头镇及其西北之敌。180师以一部攻击汤佛崖；主力攻击汤头镇以南李家五湖等地之敌。全军出发时间：今夜10点钟。
为配合59军追击作战，彻底消灭溃逃日军。庞炳勋决定：第3军团向傅家池、书家庄、贾家庄一线之敌发起攻击。
19日，张自忠第59军经过一天激战，38师攻占了沂河东岸及汤头镇以北地区；180师攻占了汤头镇以南日军据点李家五湖。庞炳勋第40军攻占了傅家池，北进至书家庄，并以一部向北迂回到日军后方。
至此，汤头镇日军板本支队已被张、庞两军包围，成为瓮中之鳖。
这时，第五战区若能投入一部兵力，与张、庞两军合力攻敌，可全歼日军板本支队。但李宗仁却命令：张自忠部“除112旅外，即调费县，准备向泗水、滕县转用。”而使日军板本支队死里逃生，实在可惜！
3月21日，第一次临沂战役结束。
日军第5师团长板垣征四郎，怒气冲冲地说：“从14日到20日，才七天，竟使我师团损失六千多人呀！大日本皇军的‘铁军’，在历史上有过这样的溃败吗？绝对没有！在张自忠部长驱追击下，我竟然慌得连呢大衣和精美的印章，也丢弃在被炸毁的装甲车里。丢人哪，有损皇军的声誉呀！去年平型关之战，是我师团第一次受挫。这次临沂之战，我师团受挫更重。而且打乱了与矶谷师团会师台儿庄的作战计划。这可是我生来从未有过的奇耻大辱呀！”
参谋长梅津：“作战中偶然受挫是难免的，师团长不必多虑。”
板垣：“矶谷第10师团进展还顺利吗？”
梅津：“据谍报站情报，矶谷师团在临沂东南山地受阻，与中**队发生激战，进展不顺利。中**队孙连仲部，即将抵达徐州、台儿庄一线，抗击矶谷师团。台儿庄之战，矶谷能否取胜？尚难断言。”
板垣：“台儿庄胜负，那是他们的事了。我们的处境很艰难呀！张自忠部38师、180师，庞炳勋第3军团，已形成铁三角，将汤头镇我板本支队包围了。该支队处境危急呀！”
梅津：“我们对张自忠指挥能力和59军实力，估计不足。所以……”