一九三八年淮北之戰後，第59軍奉戰區令，將淮北陣地交給第51軍。第59軍在魯南、徐州附近集結待命。3月3日凌晨，正在途中的第59軍，忽又奉令改變計劃，馳援臨沂龐炳勳之第40軍。限令第59軍立即乘火車南下嶧縣，爾後以一晝夜90公裡之急行軍速度於3月12日前到達臨沂城西郊。
張自忠
3月12日，第59軍到達臨沂城西一帶村莊駐紮，張自忠、龐炳勳即會商作戰計劃。龐炳勳建議固守城防。張自忠則主張以第59軍在城外採取野戰，向攻城之敵側背攻擊，以減輕守城部隊之壓力，亦可斷其歸路，阻其援軍。
幾經磋商，最後一致通過張自忠的作戰計劃。其次研究攻擊開始時間。張自忠說：「在一般情況下，59軍以急行軍到此，非常疲勞，似宜稍作休息，再與敵人作戰。但兵貴神速和出其不意，且我以劣勢裝備，對現代化之強敵，必須利用夜戰、近戰，方可奏效。應打破常規，提前開始行動。」
龐炳勳
最後商定，第59軍即於3月14日晨4時，以迅雷不及掩耳之勢，強渡沂河，一舉插入敵板垣師團之右側背，在亭子頭、大太平、申家太平、徐家太平、沙嶺子等處突破敵人防線。計劃實施後，日軍初不及料，損失慘重，一夜之間，殲敵逾千。我軍亦付出相當代價。日軍遂放棄攻城，轉對第59軍作戰。
3月14、15兩日，雙方在沂河兩岸反覆衝殺，戰線犬牙交錯，形成逐村、逐屋爭奪之拉鋸戰。在前後三天的激戰中，雙方衝殺不下數十次，我軍斃、傷敵四五千人。同時，第59軍，傷亡也不下六七千之多。該軍兩師連、排長几乎全部易人，營長也傷亡近半。
日軍添田部隊的重機槍手
3月16日，戰區參謀長徐祖詒見第59軍傷亡太重，擬電請五戰區長官李宗仁同意後，令向郯城後撤。張自忠要求再打一天一夜。經徐祖詒參謀長請示戰區同意，張軍長立即下令全軍營、團長均到第一線指揮，師、旅長到團部指揮所，軍長親臨兩師前線。並令將全軍所有火炮，全部推進到第一線，帶上所有炮彈，限令三月十七日黃昏以前，以密集炮火，向敵人猛烈轟擊。
入夜後，所有官兵，均投入戰鬥，猛攻盤踞在鳳儀官莊、劉家湖、苗家莊、船流等十餘個村莊之敵。頓時槍炮大作，殺聲震天。激戰到17日凌晨2時，號稱鐵軍之板垣師團再無抵抗能力，遺屍千餘具，向湯頭、莒縣方向潰退。我軍乘勝追擊至董官莊、白塔、湯頭一帶布防，與湯頭以北之敵形成對峙狀態。
廢墟上作戰的日軍
3月18日晚，第59軍奉令除留第114旅歸40軍指揮協同守城外，其餘即進出於費縣、沈村一帶，威脅敵磯谷師團之左側背，以策應五戰區正面之作戰。
湯頭以北之敵偵知第59軍已開赴費縣方面，在得到板本旅團增援之後，又向臨沂進逼。龐炳勳軍長再次呼援，第59軍又奉令星夜回援臨沂。於3月25日到達臨沂西北地區，立即向敵之右側背發動攻勢，敵亦全力向我軍猛撲。
我軍在毫無憑藉情況下，浴血奮戰，前僕後繼，損失嚴重。相持至3月28日，得知第五戰區已派第57軍繆澂流部之王肇治旅及湯恩伯部之騎兵團準於28日夜到達臨沂增援。在張自忠軍長訓勉砥礪之下，全軍堅持苦戰，激戰至3月29日，援軍到達，又重新部署，全線出擊，敵終不支，向北潰退。
日軍富田部隊的炮兵陣地
我軍乘勝追擊，至3月31日敵大部退向東北，一部向北退去。先後兩次臨沂作戰，我軍傷亡各級官佐800餘員，士兵萬人以上。敵板垣師團及板本旅團亦損失兵力過半，被阻不能西進。臨沂之捷，有力地配合了臺兒莊會戰。
第59軍第38師第113旅參謀長劉景嶽在回憶錄中寫道：由於張自忠軍長指揮若定，全軍將士不怕犧牲，在臨沂阻擊戰中，第59軍曾打退了號稱鐵軍之日軍板垣師團。張自忠因此升任第27軍團軍團長，仍兼第59軍軍長。
第59軍經過臨沂戰役後，傷亡奇重，兵員銳減，亟待重新組合整理，以利爾後之作戰。尤其第38師，在作戰前約有一萬五千人，臨沂戰役之後，所餘不足三千，張自忠遂決定將該師集中編成一個旅，約千人，歸軍部直接指揮。
進攻徐州的日軍田中部隊飛行員
一九三八年四月，日軍已由臨沂進佔郯城。第59軍奉第五戰區令，由卞莊以南地區出發，北進截擊南侵之敵。張自忠軍長即令第180師火速前進，在大王莊東北地區阻止敵人。
當我軍先頭部隊行抵大王莊附近時，即與敵遭遇，我軍倉促應戰，大王莊旋即被敵佔領。我軍後續部隊第26旅主力只好在大王莊以西麥田內展開，與敵形成對峙狀態。
一時雙方槍炮齊鳴，激戰竟日，敵我均有傷亡，但皆無進展。入夜後戰況沉寂。為了調整部署，第180師令第39旅祁光遠部在大王莊以西各村莊佔領陣地，阻止敵人。同時令第26旅乘夜撤至馮莊附近休整待命。
搬運炸彈的日軍航空兵
4月12日拂曉，敵先以炮火向我軍第39旅陣地猛轟，繼以步兵實行強攻，第39旅經過堅強抵抗後，陣地一部被敵突破，稍向後撤。此時，第180師師長劉振三急令第26旅跑步前進，支援第39旅之作戰。
該旅到達範莊，見第39旅陣地已被敵突破。遂令其第676團在陳莊、第678團在展莊佔領陣地，阻止敵人前進。敵見我援軍已到，且時已薄暮，攻勢遂挫。我軍連夜加強陣地，並將展莊東北角碉樓作為據點，以瞭望敵之行動。
南門突擊的日軍
4月14日晨，敵先以猛烈炮火向展莊轟擊，並拋射燒夷彈使展莊到處起火，繼以步兵利用麥田之隱蔽，秘密向我軍迫近。因之，我展莊及其東西兩端村外陣地守軍傷亡均大，但陣地迄未為動。
下午二時，敵將其步兵炮推進到距展莊東北角約數百米，首先將東北角圍牆轟倒，又將碉樓上層摧毀，約千餘名敵人在炮火掩護下蜂擁而上，向我軍猛撲。適於此時，張自忠軍長乘馬來前方視察，張宗衡旅長將展莊戰況向軍長報告後，經軍長同意由左翼杜清嶺團抽調一營兵力，輕裝猛攻敵之右側背，同時令旅部特務連經由展莊東凹道接近敵人，以熾盛火力奇襲敵之左側背。當面之敵，經我三面夾擊，死傷遍野，狼狽逃竄。張自忠軍長對該旅艱苦奮戰精神，備及讚許。
進攻的日軍戰車部隊
入夜後，第26旅旅長張宗衡去展莊視察陣地時，決定將村外陣地守軍一律撤至村內，利用房屋圍牆掩護據守，並以火力封鎖村外間隙。當夜我軍又加固了陣地。
15日凌晨，濃霧彌天，我軍正嚴陣待敵，據報敵已乘霧向郯城退去。我軍清掃戰場，計繳獲三八式步槍300餘支，輕機槍十餘挺，燒夷彈炮四門，戰刀十餘把，大衣百餘件。敵人遺屍200餘具，當即將其集中掩埋。後第59軍奉令交防給第46軍樊崧甫部接替。第59軍奉令，調往徐州西南臥牛山及其以南地區集結待命。
與張自忠部隊對峙的日軍白石部隊
1938年5月12日，徐州第五戰區奉令作戰略轉移，第59軍奉戰區命令擔任掩護。當時第59軍全軍官兵只有不到九千人，其中，戰鬥員也僅有六千左右。第59軍在執行掩護任務中，在蕭縣東南地區和敵血戰兩晝夜，使戰區三十萬大軍安全脫離戰場。
當第59軍撤至蕭縣西南之濉溪口附近時，又與由蚌埠方面前來截擊之敵相遭遇。當時，軍、師指揮部人員均投入戰鬥。軍、師長均親臨第一線指揮，苦戰竟日，在戰區部隊全部安全通過後，第59軍才節節抗擊，有條不紊地撤出戰場……
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