舆论界对他的攻击指责也有增无减，他十分清楚，此去南京非同小可，轻则撤职，重则入狱，甚至可能遭到军法审判。就在他南下的路上，国民政府下达命令，以张自忠“放弃责任，迭失守地”为由，将其撤职查办。行至徐州站，更有多名青年学生拥到车厢前，要求上车搜查“汉奸”张自忠。
-经过临沂之战，张自忠名震中外。从此，张将军驰骋抗日疆场，与日军浴血奋战，直至殉国于宜城境内十里长山
1937年12月7日，在宋哲元的斡旋下，更是在第五十九军将士的强烈呼吁下，张自忠终于被批准以军政部部附名义暂代第五十九军军长。在第五十九军军部，张自忠与大家见面，他只说了一句话:“今日回军，就是要带着大家去找死路，看将来为国家死在什么地方!”
张自忠带领所部星夜兼程，于1938年3月12日抵达临沂北郊的沂河西岸。抵达后，张、庞二人握手言和，制定了以攻为守，击敌侧背，以解临沂之围的迎敌策略。
14日拂晓，张自忠指挥部队向日寇发起攻击，夺回了临沂至汤头之间的白塔、柳行头、沙岭等十几个村庄据点。
16日，日军增加一个旅团4000多人，从汤坊崖西渡河向沂河西岸的张自忠部的阵地猛烈攻击。当日夜10时至17日凌晨，日军全力攻击崖头、刘家湖、茶叶山阵地，张自忠急令两个旅增援，奋力抵抗，肉搏多次，终于将丢失的阵地全部夺回。同日，庞炳勋部也发动强大攻势，激战一昼夜，先后占领尤家庄、傅家屯、东西水湖崖、沙河一带。到18日早晨，庞、张两军一齐从东、南、西三面夹击汤头、傅家池、草坡一线的敌人，经3天血战，临沂方面的敌人约3个联队被完全歼灭，残敌大部逃向莒县，一部向北撤退。
此后几日，日寇不甘心在临沂战役中的失败，复派增援部队4000余人，会同莒县、汤头的残敌，又向庞军阵地展开反攻。
