第21旅团（坂本支队）由潍县进攻莒县。庞炳勋派第115旅支援，莒县已失，在日军进攻下，退至白塔，与占领汤头之日军暂时形成对峙。

    侵华日军虽在南北两线的淮河及鲁南等地遭到中国军队的坚强阻击与反击，受到一些挫折，但仍迷信于上海的胜利和山东，南京的轻易占领，错误地判断战争的发展趋势，认为在国际上，“由于德国承认满洲国”，英国“修订了对外政策，在欧洲接近德、意而自求安定，在远东缓和支持中国政权的态度，采取保持本国权益第一主义”，“国际形势大同正朝着我有利的方向发展”，特别足低估了中华民族的抗战决心。认为“中国的一般政局是逐渐丧失长期抗战的自信，外则失去各国的支持，内则出现各种内政问题，现正踏上崩溃之途”；对于中国军队，偏面、盲目地认为，“在此次事变中，中国军队受到的损失，仅在华中方面就有40余万，连同华北方面合计约为80万左右；蒋介石多年苦心训练的占中央军大部约六七个师，在华中方面受到彻底打击，大部已丧失战斗能力”。因而，不同意日本大本营暂时“不扩大”方针，尤其是“华北方面军司令官寺内寿一大将，对中央意图不满”，坚持他“使华北、华中联接起来，进行徐州作战”的主张，积极支持其第2军向南入侵的企图。大本营中主张立即扩大侵略战争的要员，也开始占居主寻地位。3月13日下达正式命令、命“第10师团击灭大运河以北之敌，第5师团以一部占领沂州（临沂）后，进入峰县附近，配合第10师团作战”。

    3月14日拂晓，日军第10师团之濑谷支队（第33旅团为基于，辖2个步兵联队，约3个炮兵联队及轻战车2个中队等）由两下店向中国军队的阵地进攻，很快突破前哨阵地，被阻于深井、界河、普阳山及龙山等主阵地带以北之线。孙震接到第五战区“滕县为津浦路北段要点，关系全局，应竭力死守”的电令后，命第41军前方总指挥、第122师师长王铭章加强滕县城防。15日黄昏，界河阵地被日军突破。濑谷支队以主力进攻滕县，以一部兵力迂回至滕县以南，切断滕县守军的退路，并向临城攻击前进。此时，滕县城关虽然番号很多，但实际战斗部队只有11个步兵连、1个迫击炮连，约2000人，另外还有4个特务连约500人、地方武装约500人，总计3000余人。16日8时，日军开始攻击，一度由炮火击毁之缺口突入东关，被守军以密集的手榴弹击退。从10时至16时，日军对东关发起5次冲击，均被击退。但守军伤亡太多，3次从城中调预备队补充。当日17时，日军发起第6次冲击，突击部队改为三梯队波恨式冲击，同时，延伸火力向东门及城内实施拦阻射击，以阻止城内增援。经激烈肉搏，黄昏时，日军冲入东关。当夜，守军反击，将突人日军大部歼灭，收复东关。17日，日军在飞机、炮兵掩护下，再度向东关进攻，仍无进展。下午，将主突方向改在南城。先以炮兵火力集中轰击城墙，致城上守军大部牺牲。战至15时，日军由坍塌处突入城内。王铭章在城中指挥巷战，激战至夜，守军已各自为战，失去指挥。王铭章企图至西关车站组织该处残部继续防守，在缒城转移中中弹牺牲。城中守军残部，仍人自为战，逐屋抗击。直至18日中午，日军才完全占领滕县城。

    日军第5师团坂本支队，为配合津浦路正面第10师团的作战，3月9日，由汤头向临沂东北地区之第40军发起进攻。守军虽拼命抵抗，但阵地仍不断被突破，第40军被压迫至临沂城关地区。3月12日，张自忠率第59军由峄县以急行军到达临沂城西。当晚议定：第59军于沂河西岸船流至大小姜庄间渡河，侧击相公庄、亭子头一带日军；第40军在沂河东岸，正面反攻，与第59军呼应，包围当面日军。14日4时，第59军各部强渡沂河，开始进攻，第40军第39