至3月29日，在日军的猛烈攻击下，临沂已处于危急之中。第五战区派驻在海州的第五十七军缪澄流部王肇治旅赴临沂增援。汤恩伯部骑兵团也赶来增援。面对同仇敌忾的中国军队，敌寇伤亡千余人，被迫向汤头退却。同日晚，由于临沂久攻不下，台儿庄方面又陷于苦战，日军遂转移进攻方向，命令在临沂的日军停止进攻，抽出坂本旅团主力两个步兵联队和一个野炮兵联队星夜兼程南下，赶赴台儿庄进行支援，仅留一个联队步兵和少数炮兵在临沂与张、庞两军对峙。至此，第五十九军的伤亡也已达万余人。4月21日，由于台儿庄战役吃紧，张、庞两军相继撤离，临沂遂被日军占领。
在40多天的临沂保卫战恶战中，张、庞所部将士的鲜血染红了沂河。第四十军庞炳勋部从海州来临沂时一万三千人，撤离时，只剩下了50多人。张自忠第五十九军所部三万五千人，伤亡大半，营连以下级军官几乎全部阵亡。
临沂之战成就了张自忠抗日名将的英名。时任第五战区司令长官的李宗仁将军回忆临沂之战时，说:“此次临沂之捷，张自忠的第五十九军奋勇赴战之功，实不可没。”白崇禧将军回忆临沂之战时也说:“张将军在徐州会战之临沂战役，与庞炳勋将军将敌精锐第五师团击溃，减轻徐州会战之压力，使台儿庄获得抗战以来第一次胜利，于战史上占有辉煌的一页。”
经过临沂之战，张自忠名震中外，再也没有人说他是汉奸了。当时国民政府中央明令嘉奖，4月张擢升为二十七军团军团长，仍兼第五十九军军长，10月又升任三十三集团军总司令，旋兼任第五战区右翼兵团总司令。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。张自忠将军是第二次世界大战50多个同盟国中殉职最高的将领，也是抗日战争期间为国捐躯的唯一的国民党上将级军官，被誉为“抗战军人之魂”。
