击板坦师团的板本旅团，激战一昼夜，先后占领尤家庄、傅家屯、东西水湖崖、沙岭一线。
18日，张、庞两军从东、南、西三面夹击汤头、三疃、傅家池、草坡附近日军。经过3天血战，先后攻克李家五湖、辇沂庄、车庄、前湖崖，日军完全被击溃，残敌大部向莒县窜逃，一部仍在汤头固守待援。
这次战斗，张、庞两军共约伤亡3000余人，但日军亦被消灭3000人左右，其中包括第11联队长野裕一郎大佐、年田中佐和一名大队长。日军用载重汽车拉回莒县焚化的尸体就达100余车，来不及运回就地掩埋者还有七八百具。
此次辉煌的战斗，不但打痛了板垣，也震惊了武汉的蒋介石。连战连败中，两支地方军竟能与日军打出1∶1的伤亡率，而且对手是日军的第一支机械化师团。蒋介石大笔一挥，亲自致电张自忠，嘉勉59军，并通令全军
，撤销军委会对张自忠“撤职查办”的处分。好汉什么时候都有种。张自忠一上战场，便用日本人的血替自己洗清冤名。
18日晚，59军奉令向费县集结，威胁第10师团左侧背，以策应战区正面作战。不料，第5师团趁机增兵临沂，庞部再度告急。张自忠部星夜回援，于25日返抵临沂。全军官兵浴血鏖战，冒死冲锋，再给日军以极大杀伤。
29日，中国军队第57军333旅和汤恩伯部一个骑兵团赶到。张自忠乘势下令全线出击，板垣精锐再次被打得掉头向汤头方向逃窜。临沂之围再解。
两次临沂之战，59军付出了巨大牺牲。仅连长就伤亡120名。第5师团号称日本“铁军”，两次败北。
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