在前后三天的激战中，双方冲杀不下数十次，敌伤亡四、五千人，我五十九军伤亡也在六千人以上。全军第一线作战部队中，营长伤亡三分之一，连、排长则全部易人，三月十六日，战区参谋长徐祖贻见五十九军伤亡惨重，拟电请李宗仁同意，令其向郯城后撤，但张自忠却要求再打一天一夜。经徐请示战区同意后，他下令营、团长均到第一线指挥，师、旅长到团指挥所，军长亲临两师前线。并令将全军所有火炮全部推进到第一线，限令三月十六日黄昏以前，以密集炮火，向敌猛烈轰击。

    入夜后，所有官兵均投入战斗，猛攻盘踞在凤仪官庄、刘家湖、苗家庄等卜余个村庄之敌。当时战况异常激烈，茶叶山下崖头、刘家湖阵地失而复得达三、四次。

    激战到十七日凌晨二时，号称“铁军”的板垣师团再无抵抗能力，遗尸千余具，向临沂以北的汤头、莒县方向溃逃。我乘胜追击至董官屯、白塔、汤头一带布防，与敌形成对峙状态。

    这次临沂之役，我部把不可一世的板垣师团打得一败涂地，使其与矶谷师团拟在台儿庄会师的计划彻底破产，造成尔后矶谷师团孤军深入台儿庄为我包围的战机，给台儿庄大捷奠定了胜利的基础。胜利消息传出后，张自忠的五十九军和庞炳勋的四十军立即得到蒋介石和李宗仁的传令嘉奖。

    三月十八日晚，五十九军奉命除留一一四旅归四十军指挥协同守城外，其余开赴费县、沈村一带，威胁敌矶谷师团左侧背，以策应第五战区正面作战。

    三日后，震惊中外的台儿庄会战开始了。三月二十三日下午，汤头以北之敌侦知五十九军撤离临沂，在得到板本旅团的增援后，又向临沂反扑过来，企图西进向台儿庄增援。敌有五千余人，配有较上次更多的飞机、大炮、坦克，气焰更为嚣张，守军庞炳勋部在反击中渐次不支，再度呼援。五十九军又奉令星夜回援临沂。

    三月二十五日，张自忠率部到达临沂西北地区，立即向敌人的右侧背发动攻势，敌亦全力向我猛扑。我部在毫无凭借的情况下，浴血奋战，前仆后继，损失严重。

    二十八日，敌又增加约千余人，炮十数门，附以飞机往复轰炸，使战况更加激烈。

    当天，张将军得知战区已派第五十七军缪澂流部的王肇治旅及汤恩伯部的骑兵团准于夜间到达临沂增援，为鼓舞将士斗志，他当即将此消息通知全军，并写给一八零师二十六旅旅长张宗衡一手令，内容是：

    （一）援军今夜准到，务望再撑五小时，即有转机。这个时期就是最后五分钟，我弟之苦撑，如所深知，按前几天之战事，与团体有极大之功勋。

    这两天之经过，又如此拼命，实在不能不为国家、为团体感佩。望再接再厉，以竞全功。

    （二）战斗已到最后关头，看谁能忍最后一分钟，谁就能成功。

    （三）我困难，敌之困难更大，我苦战，敌之苦必数倍于我。望率所部支撑眼前这一极短时间。

    在张自忠将军训勉砥砺之下，全军坚持苦战，斗志不衰。二十九日，张自忠给战区长官李宗仁去电：“职军两日以来伤亡两千余人，连前此伤亡达万余人。职一息尚存，决与敌奋战到底。”正在形势险峻之时，援军到达了，张自忠将援军和所部统一作了重新部署，命令全线出击，迅速将敌截为两段，敌终不支，大部向东北溃逃，我部乘胜追击，于三十一日胜利结束战斗。这一战，我部又阻止了敌人向台儿庄、枣庄前线增援，使台儿庄右翼阵地得以巩固，有力地配合了战区大军在台儿庄的正面作战。

    因临沂作战有功，张自忠被升任为第二十七军团军团长，仍兼五十九军军长。

    五十九军经过临沂战役后，因伤亡奇重，兵员锐减，于一九三八年四月上旬奉令撤出战斗，转至苍山县卞庄以南长城村鹿山