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24日晨，张自忠率部赶回临沂。他来到第3军团部与庞炳勋会面。
庞炳勋握住张自忠的手，涕泪横流：“荩忱老弟！真是难为你了。这次敌人来得更凶，我几乎快成光杆司令了，实在难以支持。要不是你们及时返回，第3军团将全军覆灭，临沂势难保全了呀！”
张自忠心情沉重：“现在，我们已失去主动权。这太可惜了！59军伤亡很重，此次已不宜再取攻势。应当构建阵地、攻击敌人侧背。敌人必然反攻，临沂危急自然可解。而我们可凭借工事给敌重创，然后转入攻势，这样较为有利。”
庞炳勋听了一惊，误以为59军采取守势，意在保存实力，不愿全力相助。他急忙说：“荩忱老弟！我的部队拼得差不多了，59军如不采取攻势，我只有全军覆灭了！念咱们原是西北军袍泽弟兄，无论如何请你再帮老兄一把！老弟的恩德于公于私，我当永志不忘呀！”
张自忠看着庞炳勋老泪纵横的神态，不禁深感同情。他沉思片刻，改变了主意：“唉！为解庞兄之危，59军在极不利条件下，再取攻势。”
庞炳勋跪在张自忠面前：“荩忱老弟！我代表第3军团剩下的一千多名弟兄，谢谢你啦！”
张自忠急忙将庞炳勋扶起：“庞老兄，快快请起！”
庞炳勋起来，落座。
张自忠：“日军分两路进攻。我们也分两路反击。庞兄所部仍坚守桃园、三官庙、九曲庄等阵地，反击进攻之敌。我部反击进入临沂西北之敌，收复被敌占领之地。庞兄意见如何？”
庞炳勋：“赞成老弟意见。”
25日，第59军攻下了临沂北侧战略制高点古城。临沂东侧庞军阵地再次告急，请求59军增援。张自忠令38师抽出114旅董升堂部，从七沟、七皋强渡沂河，向临沂东侧桃园、独树头、三官庙一线日军发动进攻，以解庞军之危。26日，38师攻占了桃园。
28日，板垣再次命令坂本支队，集中兵力攻击前后岗头，突破临沂西侧防线，非把59军张自忠部，打垮不可！张自忠闻讯再次策马上阵，督率59军180师拼命抵抗。
当日夜，张自忠致电李宗仁说：“职一息尚存，决与敌奋战到底！”
第59军孤军血战终日，打得日军狼狈不堪，伤亡惨重，寸土未得。
这时李宗仁复电已到：“增援临沂的汤恩伯骑兵团已抵达古城以西，由王肇治旅长率领的57军333旅也到达临沂。”
张自忠兴奋地说：“好啊！这一下，板垣又成了瓮中之鳖，皇军真的惶了！临沂反击战，我们胜利了！”
当夜22时，张自忠发动了全线反击。59军攻占了沟上、二十里铺；庞炳勋部攻占了九曲店；增援部队333旅攻占了葛家王平庄。
当夜，日军第5师团坂本支队主力向台儿庄转移，以解濑谷支队被围困之危。其他部队于30日上午向汤头方向撤退。板本支队主力既然转移，临沂战局也随之缓解。李宗仁即令王肇治旅和汤恩伯骑兵团撤回，通知战区徐参谋长返回长官部。至此，第二次临沂之战结束。
两次临沂之战，从3月3日汤头之战打响，至3月29日战役结束，张、庞两军共歼敌九千多人，其中59军歼敌六千多人。日军伤亡军官总计达三百多人，其片野、长野、栗饭联队中有四个大队被59军全歼！这是日军第5师团侵入中国以来，继平型关受挫后遭到的第二次严重挫折。