将全部炮弹倾向敌阵
在第一阶段的战斗中，日军从汤头连续四次派兵增援，均被负责阻击的第59军部队击溃。仅仅一夜的战斗，228团原有2000多人，损失了一半以上；防守茶叶山的225团七连全部阵亡；在茶叶山以南，防守崖头阵地的两个连仅剩官兵数十人；224团也伤亡近半。此战，张自忠部伤亡高达6000余人，两个师的连长和排长几乎全部易人，营长也伤亡过半，但该部队仍坚守阵地，顽强战斗。
参谋长徐祖诒鉴于第59军伤亡过重，建议张自忠撤出战斗，转往郯城休整。但张自忠在观察分析战况后，认为板垣第五师团也已坚持到极限，因此坚决要求再打一天一夜，给板垣师团最后的致命一击。众将领非常赞同军长的意见，纷纷求战。
对此，李宗仁大喜，马上同意张自忠的请求。张自忠当即下达命令:除李文田副军长留军部主持工作外，其余各级部队主官一律到前线督战指挥；军总预备队114旅投入战斗；全军所有山炮、野炮和重迫击炮全部推进至第一线，带上所有炮弹，在黄昏前，将全部炮弹倾向敌阵；攻击重点为茶叶山、刘家湖、小苗家庄。激战一昼夜后，攻占了日军的前沿一线。
3月18日，张、庞两军从东、南、西三面夹击，聚歼汤头、三疃、傅家池、草坡附近多处日军。经过三天血战，李家五湖、辇沂庄、车庄、前湖崖等阵地先后被中国军队收复。日军板垣第五师团完全被击溃，在中国军队强大猛烈的攻击下，无法支撑，大部向莒县突围窜逃，一部退至汤头。
张自忠令38师114旅向汤头方向追击，停止于汤头以南李家五湖一线；其余部队除一部沿沂河西岸茶叶山一带警戒外，全部集结到刘家湖一带休整。中国军队共毙敌3000余人，坂本支队第十一联队联队长长野大佐、年田中佐和一名大队长被中国军队击毙，给日军王牌部队以沉重打击。
此役，张自忠离不开庞炳勋的鼎力支持。庞军向北猛进，两方前后夹攻。尤其是庞军的第四连连长郭清顺于3月15日进攻傅家屯时，腹部被好几颗子弹击中，部下劝他回后方，他却说:“我这伤决计是医不好了，我愿意在我未死之前，亲眼看见我的兄弟们占领傅家屯。那我在九泉之下，死也瞑目了。”这一连士兵，便在他们的长官未断气之前，一鼓作气占领了傅家屯。
张自忠和庞炳勋的第二次全线反攻为临沂保卫战赢得了宝贵的时间和空间，也为台儿庄大战提供了可靠的战略保障。在临沂反攻大捷的3月18日当晚，为防止津浦铁路正面之敌攻陷滕县南下，以便在关键时刻能够策应台儿庄正面区域的防御作战，李宗仁命令张自忠军队转移至日军矶谷第十师团侧后翼的费县。
此时的板垣征四郎，获知张自忠部离开临沂，心中窃喜。遂火速从铁路增兵，集结第五师团的所有后援，于3月23日，再次包围进攻临沂。
庞炳勋部不支，因连日激战，将士十分疲惫，“伤亡甚重，现剩有战斗兵计115旅全旅五六百人；116旅八百余人，补充团亦七百”，“军师部即一连之预备队亦无”。
