意见一致后，59军于当晚子夜即以迅雷不及掩耳之势，分数路强渡沂河，一举插入敌板垣师团之右侧背，在佛房头、沙岭子、独树头、大小太平、陈家太平、许家太平等一系列村庄，反复冲杀，浴血奋战。敌初不及料，损失惨重。我军一夜之间歼敌2000余名。我亦伤亡甚众。敌遂放弃攻城，转对59军作战。嗣后双方在沂河两岸，展开了大规模的争夺战，以致战线犬牙交错，村庄失而复得。在三天的激战中，冲杀不下百数十次，毙伤日军3000余人。我38师、180师伤亡亦各在4000以上，两师连排长几乎换了一遍，营长也伤亡了三分之一。
3月15日夜晚，张自忠军长下令营长、团长均到第一线，旅长、师长均到团指挥所，军长亲临两师前线。并将全军所有火炮，均推进至第一线的后方前列。黄昏以前集中火力向敌军阵地轰击，入夜后所有官兵均投入战斗，猛攻盘踞在刘家湖、苗庄、船流、官庄等十余个村庄之敌，顿时喊杀震天，与敌激战至3月16日子夜，号称铁军之板垣师团再无抵抗力量，遗尸千余具，向临沂以北50里之汤头溃逃。我军乘胜追击至董官屯、白塔寺、鲁村一线，与汤头之敌形成对峙状态。
将围困临沂之敌击溃后，59军奉令酌留一旅归庞炳勋军长指挥用于防守临沂外，其余部队即进至费县，以策应大军之作战。3月20日，59军进抵费县。汤头之敌侦知59军已他调，同时得到坂本旅团之增援，又向临沂开始猛攻。庞炳勋二次呼援，急如星火。59军又奉令星夜回援临沂，于3月25日到达临沂西北地区，立即向敌侧背猛攻，敌全力向我反扑，我军在毫无凭借之下浴血奋战，死伤相继，损失奇重。相持于3月29日重新部署，全线出击。敌不支向北溃退，我乘胜追击。至3月31日，敌大部向东北，一部向东退去。前后两次临沂作战，59军共伤亡各级干部800余人，士兵几至两万人。但歼敌坂垣师团过半，使其不能西进，为尔后之台儿庄大捷，奠定了有利基础。
临沂的胜利，除了全军将士不怕牺牲的战斗意志和张自忠军长勇敢善战、指挥若定外，与张克侠参谋长擘画咸宜、决胜千里的谋略也是分不开的。临沂阻击战后，张自忠因功升任27军团军团长，仍兼任59军军长。张克侠亦升任27军团参谋长，仍兼任59军参谋长。
1938年5月，台儿庄大战已结束，第五战区奉令转移。59军奉第五战区令担任掩护台儿庄和徐州突围大军的任务。当时全军官兵不过9000人，战斗员也仅有6000人左右。在萧县东南地区与敌血战两昼夜，使战区30万大军安全脱离战场。当59军撤至萧县西南之濉溪口时，又与由蚌埠前来截击之敌相遇，当时军师部人员均投入战斗，军、师长均到第一线指挥作战，苦战整日，在战区部队均安全通过后，59军才节节撤出战场，经由柘城向许昌进发。后又开赴信阳进行整补。
