不料，第五师团在徐州东北约15o公里的临沂遭到庞炳勋军团的抵抗。庞炳勋是位老将，年逾花甲，其军团在参加淞沪会战之后编入第五战区，这时实际上只有5个步兵团、不足一个军的兵力。
但是，第五师团由于被张城的教导师成建制消灭过，新建师团的绝对优势兵力遭到庞军的顽强抵抗后，竟然一时间奈何不了一个名不见经传的支那“杂牌军“。新任第五师团师团长国崎登觉得很丢面子，督阵猛攻。
李宗仁闻讯后立即将预定北上增援滕县、协同川军反攻邹县的张自忠军，紧急改调临沂。善于作战的张自忠不顾与庞炳勋之间的私人矛盾，指挥所部与庞军内外夹击，大败日军。庞张两军以伤亡3ooo人左右的代价，毙伤相近数量的日军。
消息传出，国统区顿时一片沸腾，张自忠将军洗刷了丢失了北平的耻辱，声望如日中天。