师亦开始反攻，激战至15日，先后攻占亭子头、徐太平、大太平等六七个村庄。日军被迫南退。16日拂晓，日援军到达，转为反击，由沙岭子渡沂河向第59军第38师后方猛攻，占领船流、刘家湖。张自忠急令进至河东的部队全部撤回河西，阻击突至河西日军。双方在刘家湖展开激烈的肉搏争夺战，“刘家湖失而复得者4次，崖头失而复得者3次，茶叶山一度被敌占领，旋即夺回”。至17日上午，第59军已伤亡6000余人，第一线的营长伤亡三分之一，连排长全部易人。此时，日军困伤亡甚众已无力进攻。张自忠掌握战机，集中全力组织反击，于当日黄昏发动进攻，激战竟夜，以逐室争夺之肉搏战，终将河西日军大部击歼。日军第11联队长野佑一郎以下伤亡3000寺人。日军退至莒县、汤头。18日24时，庞炳勋报告临沂战况，说日军“伤五千余，亡三千余”。李宗仁据之判断、日军暂时无力组织进攻，而19日峄县失守，津浦路正面紧张，遂于20日电令第59军留1个旅，协同第40军守临沂，主力乘虚向滕县前进，截击日军，日军板本支队在汤头稍事整顿，21日又转为攻势。第40军兵力单薄，又未得到补充，节节后退，至22日，撤至临沂东郊阵地。23日，蒋介石电令张自忠不必去滕县，全军仍协助第40军防守临沂。24日，第59军返回临沂。25日，第40军桃园、三官庙阵地被突破，第59军第38师3个团渡沂河，夜袭桃园日军。26日，沂河两岸激战终日，第38师受挫，退回河西；第59军缩短战线，退至十里铺、前后岗头之线，临沂形势危急。李宗仁急令第57军第111师第333旅及第29军团骑兵团驰援。27日拂晓，日军将主攻方向指向第59军。至28日夜，第59军已伤亡8000余人。29日，援军到达。此时，日军第2军因濑谷支队在台儿庄方面战况危急，令第5师团派部救援，板本支队中止进攻，留2个大队在临沂附近，主力向南转进。临沂形势暂时缓和。临沂地区1个多月的战斗，第59军及第40军共伤亡万余人。日军第5师团伤亡3000余人，未能攻占临沂。这是该师团入侵中国以来，继平型关后的第二次受挫。

    日濑谷支队占领临城、滕县后，19日击退刚刚调至沙沟布防之第20军团第85军第2师一部，进占韩庄、峄县。因临沂方面坂本支队受挫，濑谷支队受命派一部兵力向临沂前进，以一部兵力向台儿庄前进，主力集结于峄县临城附近。3月22日，军委会增调至第五战区的第2集团军（总司令孙连仲，辖第30军第30、第31师，第42军第27师及独立44旅），先后到达徐州、台儿庄地区，第20军团（军团长汤恩伯，辖第52军第2、第25师，第85军第4、第89师，第13军第110师及独立骑兵团）正向兰陵镇集结和向青山、云谷山迂回，准备侧击峄县、枣庄日军。命其于24日拂晓开始进攻。23日，第31师师长池峰城派乜子彬旅长率1个团向峄县攻击前进，日军进攻台儿庄的派遣队也由峄县向台儿庄攻击前进。双方在獐山遭遇。第31师被迫后退，日军当晚占领嵫洛。24日，中国空军为支援第20军团进攻，拂晓后以轰炸机14架袭击韩庄、临城及枣庄日军。但第20军团并未按命令开始进攻。直至当晚，第85军进至枣庄以北云谷山、神山地区，第52军在洪山镇、兰陵镇地区。当日，蒋介石至徐州视察、将随行的副参谋总长白崇禧及军令部次长林蔚等留第五战区，协助李宗仁策划作战。同时，令第31师防守台儿庄。25日，进入郭里集第52军25师75旅一部，发现日军东进临沂大队的先遣中队正在村东北角大碉堡内，遂将其包围进行攻击，经战，击退枣庄来援日军，将该中队日军大部击歼，仅10余人突围逃回枣庄。第52军第2师曾向枣庄进攻，但被击退。汤恩伯率第85军仍在抱犊崮山区，