3月18日晚，張自忠召集師旅長會議。
他說：“從3月14日拂曉，我軍同日軍開戰以來，至今已打了整整五晝夜。由於全軍將士奮勇殺敵，終於將號稱‘鐵軍’板垣師團打垮了！臨沂作戰大捷，國人對我59軍高看一眼。我們感到光榮！我們應當珍視這個榮譽。因為它是弟兄們用鮮血和生命換來的！它比金錢更珍貴！但是我們不能驕傲。因為板垣還沒有死，他的部隊還沒有光。他們決不會甘心失敗，還會集結兵力伺機反撲。所以，我們必須乘勝追擊，把他們徹底消滅！”
張自忠決定：第59軍第3次東渡沂河，分兵兩路發起追擊作戰。各部隊任務是：38師以一部占領輦沂莊、東莊之線對北警戒；主力攻擊湯頭鎮及其西北之敵。180師以一部攻擊湯佛崖；主力攻擊湯頭鎮以南李家五湖等地之敵。全軍出發時間：今夜10點鍾。
為配合59軍追擊作戰，徹底消滅潰逃日軍。龐炳勳決定：第3軍團向傅家池、書家莊、賈家莊一線之敵發起攻擊。
19日，張自忠第59軍經過一天激戰，38師攻占了沂河東岸及湯頭鎮以北地區；180師攻占了湯頭鎮以南日軍據點李家五湖。龐炳勳第40軍攻占了傅家池，北進至書家莊，並以一部向北迂迴到日軍後方。
至此，湯頭鎮日軍板本支隊已被張、龐兩軍包圍，成為甕中之鱉。
這時，第五戰區若能投入一部兵力，與張、龐兩軍合力攻敵，可全殲日軍板本支隊。但李宗仁卻命令：張自忠部“除112旅外，即調費縣，準備向泗水、滕縣轉用。”而使日軍板本支隊死裏逃生，實在可惜！
3月21日，第一次臨沂戰役結束。
日軍第5師團長板垣征四郎，怒氣衝衝地說：“從14日到20日，才七天，竟使我師團損失六千多人呀！大日本皇軍的‘鐵軍’，在曆史上有過這樣的潰敗嗎？絕對沒有！在張自忠部長驅追擊下，我竟然慌得連呢大衣和精美的印章，也丟棄在被炸毀的裝甲車裏。丟人哪，有損皇軍的聲譽呀！去年平型關之戰，是我師團第一次受挫。這次臨沂之戰，我師團受挫更重。而且打亂了與磯穀師團會師台兒莊的作戰計劃。這可是我生來從未有過的奇恥大辱呀！”
參謀長梅津：“作戰中偶然受挫是難免的，師團長不必多慮。”
板垣：“磯穀第10師團進展還順利嗎？”
梅津：“據諜報站情報，磯穀師團在臨沂東南山地受阻，與中**隊發生激戰，進展不順利。中**隊孫連仲部，即將抵達徐州、台兒莊一線，抗擊磯穀師團。台兒莊之戰，磯穀能否取勝？尚難斷言。”
板垣：“台兒莊勝負，那是他們的事了。我們的處境很艱難呀！張自忠部38師、180師，龐炳勳第3軍團，已形成鐵三角，將湯頭鎮我板本支隊包圍了。該支隊處境危急呀！”
梅津：“我們對張自忠指揮能力和59軍實力，估計不足。所以……”
他說：“從3月14日拂曉，我軍同日軍開戰以來，至今已打了整整五晝夜。由於全軍將士奮勇殺敵，終於將號稱‘鐵軍’板垣師團打垮了！臨沂作戰大捷，國人對我59軍高看一眼。我們感到光榮！我們應當珍視這個榮譽。因為它是弟兄們用鮮血和生命換來的！它比金錢更珍貴！但是我們不能驕傲。因為板垣還沒有死，他的部隊還沒有光。他們決不會甘心失敗，還會集結兵力伺機反撲。所以，我們必須乘勝追擊，把他們徹底消滅！”
張自忠決定：第59軍第3次東渡沂河，分兵兩路發起追擊作戰。各部隊任務是：38師以一部占領輦沂莊、東莊之線對北警戒；主力攻擊湯頭鎮及其西北之敵。180師以一部攻擊湯佛崖；主力攻擊湯頭鎮以南李家五湖等地之敵。全軍出發時間：今夜10點鍾。
為配合59軍追擊作戰，徹底消滅潰逃日軍。龐炳勳決定：第3軍團向傅家池、書家莊、賈家莊一線之敵發起攻擊。
19日，張自忠第59軍經過一天激戰，38師攻占了沂河東岸及湯頭鎮以北地區；180師攻占了湯頭鎮以南日軍據點李家五湖。龐炳勳第40軍攻占了傅家池，北進至書家莊，並以一部向北迂迴到日軍後方。
至此，湯頭鎮日軍板本支隊已被張、龐兩軍包圍，成為甕中之鱉。
這時，第五戰區若能投入一部兵力，與張、龐兩軍合力攻敵，可全殲日軍板本支隊。但李宗仁卻命令：張自忠部“除112旅外，即調費縣，準備向泗水、滕縣轉用。”而使日軍板本支隊死裏逃生，實在可惜！
3月21日，第一次臨沂戰役結束。
日軍第5師團長板垣征四郎，怒氣衝衝地說：“從14日到20日，才七天，竟使我師團損失六千多人呀！大日本皇軍的‘鐵軍’，在曆史上有過這樣的潰敗嗎？絕對沒有！在張自忠部長驅追擊下，我竟然慌得連呢大衣和精美的印章，也丟棄在被炸毀的裝甲車裏。丟人哪，有損皇軍的聲譽呀！去年平型關之戰，是我師團第一次受挫。這次臨沂之戰，我師團受挫更重。而且打亂了與磯穀師團會師台兒莊的作戰計劃。這可是我生來從未有過的奇恥大辱呀！”
參謀長梅津：“作戰中偶然受挫是難免的，師團長不必多慮。”
板垣：“磯穀第10師團進展還順利嗎？”
梅津：“據諜報站情報，磯穀師團在臨沂東南山地受阻，與中**隊發生激戰，進展不順利。中**隊孫連仲部，即將抵達徐州、台兒莊一線，抗擊磯穀師團。台兒莊之戰，磯穀能否取勝？尚難斷言。”
板垣：“台兒莊勝負，那是他們的事了。我們的處境很艱難呀！張自忠部38師、180師，龐炳勳第3軍團，已形成鐵三角，將湯頭鎮我板本支隊包圍了。該支隊處境危急呀！”
梅津：“我們對張自忠指揮能力和59軍實力，估計不足。所以……”