24日晨，張自忠率部趕迴臨沂。他來到第3軍團部與龐炳勳會麵。
龐炳勳握住張自忠的手，涕淚橫流：“藎忱老弟！真是難為你了。這次敵人來得更兇，我幾乎快成光杆司令了，實在難以支持。要不是你們及時返迴，第3軍團將全軍覆滅，臨沂勢難保全了呀！”
張自忠心情沉重：“現在，我們已失去主動權。這太可惜了！59軍傷亡很重，此次已不宜再取攻勢。應當構建陣地、攻擊敵人側背。敵人必然反攻，臨沂危急自然可解。而我們可憑借工事給敵重創，然後轉入攻勢，這樣較為有利。”
龐炳勳聽了一驚，誤以為59軍采取守勢，意在保存實力，不願全力相助。他急忙說：“藎忱老弟！我的部隊拚得差不多了，59軍如不采取攻勢，我隻有全軍覆滅了！念咱們原是西北軍袍澤弟兄，無論如何請你再幫老兄一把！老弟的恩德於公於私，我當永誌不忘呀！”
張自忠看著龐炳勳老淚縱橫的神態，不禁深感同情。他沉思片刻，改變了主意：“唉！為解龐兄之危，59軍在極不利條件下，再取攻勢。”
龐炳勳跪在張自忠麵前：“藎忱老弟！我代表第3軍團剩下的一千多名弟兄，謝謝你啦！”
張自忠急忙將龐炳勳扶起：“龐老兄，快快請起！”
龐炳勳起來，落座。
張自忠：“日軍分兩路進攻。我們也分兩路反擊。龐兄所部仍堅守桃園、三官廟、九曲莊等陣地，反擊進攻之敵。我部反擊進入臨沂西北之敵，收複被敵占領之地。龐兄意見如何？”
龐炳勳：“讚成老弟意見。”
25日，第59軍攻下了臨沂北側戰略製高點古城。臨沂東側龐軍陣地再次告急，請求59軍增援。張自忠令38師抽出114旅董升堂部，從七溝、七皋強渡沂河，向臨沂東側桃園、獨樹頭、三官廟一線日軍發動進攻，以解龐軍之危。26日，38師攻占了桃園。
28日，板垣再次命令阪本支隊，集中兵力攻擊前後崗頭，突破臨沂西側防線，非把59軍張自忠部，打垮不可！張自忠聞訊再次策馬上陣，督率59軍180師拚命抵抗。
當日夜，張自忠致電李宗仁說：“職一息尚存，決與敵奮戰到底！”
第59軍孤軍血戰終日，打得日軍狼狽不堪，傷亡慘重，寸土未得。
這時李宗仁複電已到：“增援臨沂的湯恩伯騎兵團已抵達古城以西，由王肇治旅長率領的57軍333旅也到達臨沂。”
張自忠興奮地說：“好啊！這一下，板垣又成了甕中之鱉，皇軍真的惶了！臨沂反擊戰，我們勝利了！”
當夜22時，張自忠發動了全線反擊。59軍攻占了溝上、二十裏鋪；龐炳勳部攻占了九曲店；增援部隊333旅攻占了葛家王平莊。
當夜，日軍第5師團阪本支隊主力向台兒莊轉移，以解瀨穀支隊被圍困之危。其他部隊於30日上午向湯頭方向撤退。板本支隊主力既然轉移，臨沂戰局也隨之緩解。李宗仁即令王肇治旅和湯恩伯騎兵團撤迴，通知戰區徐參謀長返迴長官部。至此，第二次臨沂之戰結束。
兩次臨沂之戰，從3月3日湯頭之戰打響，至3月29日戰役結束，張、龐兩軍共殲敵九千多人，其中59軍殲敵六千多人。日軍傷亡軍官總計達三百多人，其片野、長野、栗飯聯隊中有四個大隊被59軍全殲！這是日軍第5師團侵入中國以來，繼平型關受挫後遭到的第二次嚴重挫折。
龐炳勳握住張自忠的手，涕淚橫流：“藎忱老弟！真是難為你了。這次敵人來得更兇，我幾乎快成光杆司令了，實在難以支持。要不是你們及時返迴，第3軍團將全軍覆滅，臨沂勢難保全了呀！”
張自忠心情沉重：“現在，我們已失去主動權。這太可惜了！59軍傷亡很重，此次已不宜再取攻勢。應當構建陣地、攻擊敵人側背。敵人必然反攻，臨沂危急自然可解。而我們可憑借工事給敵重創，然後轉入攻勢，這樣較為有利。”
龐炳勳聽了一驚，誤以為59軍采取守勢，意在保存實力，不願全力相助。他急忙說：“藎忱老弟！我的部隊拚得差不多了，59軍如不采取攻勢，我隻有全軍覆滅了！念咱們原是西北軍袍澤弟兄，無論如何請你再幫老兄一把！老弟的恩德於公於私，我當永誌不忘呀！”
張自忠看著龐炳勳老淚縱橫的神態，不禁深感同情。他沉思片刻，改變了主意：“唉！為解龐兄之危，59軍在極不利條件下，再取攻勢。”
龐炳勳跪在張自忠麵前：“藎忱老弟！我代表第3軍團剩下的一千多名弟兄，謝謝你啦！”
張自忠急忙將龐炳勳扶起：“龐老兄，快快請起！”
龐炳勳起來，落座。
張自忠：“日軍分兩路進攻。我們也分兩路反擊。龐兄所部仍堅守桃園、三官廟、九曲莊等陣地，反擊進攻之敵。我部反擊進入臨沂西北之敵，收複被敵占領之地。龐兄意見如何？”
龐炳勳：“讚成老弟意見。”
25日，第59軍攻下了臨沂北側戰略製高點古城。臨沂東側龐軍陣地再次告急，請求59軍增援。張自忠令38師抽出114旅董升堂部，從七溝、七皋強渡沂河，向臨沂東側桃園、獨樹頭、三官廟一線日軍發動進攻，以解龐軍之危。26日，38師攻占了桃園。
28日，板垣再次命令阪本支隊，集中兵力攻擊前後崗頭，突破臨沂西側防線，非把59軍張自忠部，打垮不可！張自忠聞訊再次策馬上陣，督率59軍180師拚命抵抗。
當日夜，張自忠致電李宗仁說：“職一息尚存，決與敵奮戰到底！”
第59軍孤軍血戰終日，打得日軍狼狽不堪，傷亡慘重，寸土未得。
這時李宗仁複電已到：“增援臨沂的湯恩伯騎兵團已抵達古城以西，由王肇治旅長率領的57軍333旅也到達臨沂。”
張自忠興奮地說：“好啊！這一下，板垣又成了甕中之鱉，皇軍真的惶了！臨沂反擊戰，我們勝利了！”
當夜22時，張自忠發動了全線反擊。59軍攻占了溝上、二十裏鋪；龐炳勳部攻占了九曲店；增援部隊333旅攻占了葛家王平莊。
當夜，日軍第5師團阪本支隊主力向台兒莊轉移，以解瀨穀支隊被圍困之危。其他部隊於30日上午向湯頭方向撤退。板本支隊主力既然轉移，臨沂戰局也隨之緩解。李宗仁即令王肇治旅和湯恩伯騎兵團撤迴，通知戰區徐參謀長返迴長官部。至此，第二次臨沂之戰結束。
兩次臨沂之戰，從3月3日湯頭之戰打響，至3月29日戰役結束，張、龐兩軍共殲敵九千多人，其中59軍殲敵六千多人。日軍傷亡軍官總計達三百多人，其片野、長野、栗飯聯隊中有四個大隊被59軍全殲！這是日軍第5師團侵入中國以來，繼平型關受挫後遭到的第二次嚴重挫折。