兵贵神速夜进攻
张自忠对临沂抗战，心中毫无犹豫，拼命到底。他曾对记者慷慨激昂地自白:“我个人份属军人，受国家培养至深，凡是余之生命与部属，均应全部贡献于国家。我的生命已由九死一生的环境挣扎出来，尚可证明上天尚有为民族求生存之伟大使命交付给余。故余日前已与部属共同宣誓，决以吾等全部生命完全还与国家，纵最后只有一枪一命，亦不能望其苟存!”
行胜于言。到临沂后，张自忠审时度势，以其惊人的胆略和智慧，巧妙地发动了三次反攻大战，歼灭了日军的有生力量。
先于张自忠前一天到达的第五战区参谋长徐祖诒，在庞炳勋军团驻地主持召开联席会议，商讨作战计划。
庞炳勋要求张自忠接替城防，死守临沂城。张自忠却认为与其坐待敌攻，不如主动出击，以攻为守，并表示愿意承担主攻。他对庞炳勋说:“在敌攻势之下，贵军可以在城外野战，徐徐后撤，诱敌深入，把敌人的右侧翼暴露在我军的正面，这样有利于我军的攻击。贵部可固守城池，配合出击。”
庞炳勋问打算何时开始进攻时，张自忠说:“目前日军尚未发现我军已赶至临沂，也未作防御部署，这个战机非常难得。我军虽然疲惫，但兵贵神速，应乘敌不备，马上发动进攻。且我以劣势装备对现代化之强敌，必须利用近战、夜战方可奏效。故应打破常规，提前开始行动。”
徐参谋长也认为庞炳勋部守卫临沂城已有经验，熟悉城内情况，深以为是。三人商定，于3月14日拂晓发起攻击。
3月14日凌晨3时许，张自忠命第59军强渡沂河，分为左右两翼，向日军第五师团右侧背突然发起猛烈的攻击。一时间，枪炮齐射，地动山摇。张自忠率军部推进至朱潘，就近指挥作战。
左翼38师渡河后，一路冲杀，接连攻克日军阵地四五处。但板垣师团确属日军精锐，他们迅速停止了对庞炳勋部的夺城攻击，转而全力向38师反扑，双方展开激烈混战，往来数个回合，38师伤亡400余人，被迫退回沂河西岸。
张自忠震怒之下，当即将担任主攻的122旅旅长李金镇撤职，命新兵团团长李九思升任旅长，责令其准备再次渡河攻击。右翼180师强渡沂河，分两路向前攻击。日军出动增援部队与我军展开激烈争夺，阵地失而复得数次。经一夜激战，180师以伤亡800余人的代价将敌击退。3月15日一早，该师乘胜向前推进，日军阵脚动摇，遂向东西水湖涯溃退。
3月16日拂晓前，日军汇集全部主力再加上从莒县赶来增援的千余兵力，在大量飞机重炮的掩护下向张自忠部实施反击，同时又对张自忠部的后方发起猛攻。双方随即在沂河两岸展开了惨烈的混战，彼此的战线犬牙交错，形成了逐村逐屋争夺的拉锯战。
日军由沙岭渡过沂河，向38师后方的崖头、刘家湖、苗家庄、钓鱼台一线展开猛攻，并有10余架飞机进行轰炸，与该师预备队第111旅展开激战，并攻占了船流、刘家湖。
张自忠根据突变的战况，迅速调整部署:令38师派最有力的一个团加强茶叶山的防守；令军部骑兵营由石家屯东渡沂河，向葛沟、汤头间出击，袭扰敌之后方；令进至河东的部队全部撤回河西，阻击渡至河西的敌人。
双方在刘家湖一带展开激烈的肉搏争夺战。由于刘家湖是日军前线补给中心，堆积着大量军用补给品，所以日军集中精锐部队死守此村。直至晚上10时，张自忠部再次向正面日军发动了猛攻，主攻的228团派一个精锐排乘着夜色突袭，冲入刘家湖消灭日军哨兵，然后以一个主力营冲入刘家湖。
日军措手不及，乱成一团，但很快稳定下来，以每座房子为单位死守。228团其他几个营也顺势攻入，同时使用所有的迫击炮、手榴弹、枪榴弹，对准日军固守的每一座房子猛烈轰击，将日军压缩到村西北角。张自忠及时派遣225团增援，随后这两个团齐心协力，猛打猛攻，战况极其惨烈。
激战到17日凌晨3时，刘家湖失而复得四次，崖头失而复得三次。最终预备队及时赶到才稳定了阵地，茶叶山一度被敌占领，旋即夺回。张自忠的第一次全线反攻取得了阶段性的胜利。
