自抗日戰爭全面爆發之後，日軍相繼佔領了南京和上海，國民政府遷往重慶繼續抗戰。日軍為了打通南北戰場的聯繫，將目光投向了戰略重鎮徐州。鑑於徐州的重要性，第五戰區李宗仁決心要守住徐州打擊日寇。
李宗仁的部隊在國軍之中算得上是精銳，將士們的抗戰熱情也很高。可是讓人意想不到的是，山東的韓復渠居然為了保存自己的實力，從1937年的12底到1938年的一月初，短短的二十天多天時間裡，一路逃跑數百里，沒有進行任何的抵抗，拱手將黃河天險讓給日軍。重鎮濟南，泰安，袞州等地輕易的落入日軍之手。導致徐州的北大門直接暴露在日軍手下。
全國人民對於韓復渠的逃跑行徑義憤填膺，國民政府震怒。而韓復榘則仗著自己是戰區司令居然有恃無恐。蔣介石借開會之機，逮捕韓復渠，將其槍斃。
山東的日軍第10師團和第5師團的一部分由津浦鐵路迅速的向徐州方向突進。由於日軍剛剛嚐到了韓復渠逃跑帶來的甜頭，於是狂妄的認為中國軍隊不堪一擊，日軍板垣徵四郎的第五師團孤軍深入，2萬多人直逼臨沂，臨沂保衛戰爆發。
鎮守臨沂的乃是龐炳勳將軍，雖然當時他是軍團長，但是手下僅僅只有5個團的兵力。面對來勢洶洶的板垣師團，龐炳勳沉著應戰，將士們奮勇殺敵。雙方反覆衝殺數十次，號稱日軍精英的板垣師團也沒能夠前進一步。板垣徵四郎本以為龐炳勳只是雜牌部隊，不堪一擊，沒想到居然碰了個硬釘子，惱羞成怒，加大日軍炮火試圖滅了龐炳勳將的的部隊。
日軍的瘋狂進攻讓龐炳勳的部隊損失慘重，有的團僅僅剩下兩三百人。面對敵強我弱的形勢，龐炳勳一面積極組織守城，一面向李宗仁求援。李宗仁聞訊後立即命令藤縣附近的張自忠部緊急馳援，張自忠接到命令後毫不遲疑，立即發兵。強令部隊一晝夜行軍90公里，出其不意的到達臨沂北郊，對日軍發動了猛烈的進攻。
日軍做夢也沒想到中國增援的軍隊會來得如此之快，進攻會如此的猛烈。攻城的日軍來不及撤退就陷入了張自忠部和龐炳勳部的內外夾擊之中。攻擊臨沂前線的4000多日軍，仗著炮火的優勢對張自忠的五十九軍發動猛攻，企圖跳出夾擊圈，張自忠立即派出兩個旅增援，死死的咬住日軍。陣地幾次易手，又被奪回，日軍見衝不出去，只得退回去龜縮在陣地裡。
這時城裡的龐炳勳部為了配合張自忠部作戰，率軍從城中殺出，張自忠聞訊，立即命令五十九軍全線出擊，配合龐炳勳將軍的部隊前後夾擊殺向日軍。經過幾天的血戰，基本全殲攻城的日軍，只有一小部分日軍逃脫。據資料記載，此戰日軍的屍體用100輛車才裝完。
這一戰將日軍的板垣師團牢牢的擋在臨沂，放慢了日軍進攻的步伐，打擊了日軍的囂張氣焰。為後來臺兒莊大捷爭取了時間。
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