正当庞炳勋部与日军在临沂外围激烈争夺，面临灭顶之灾的危急关头，李宗仁就已电令张自忠的第59军“即日由滕县输送到峄县转赴临沂，接庞(炳勋)任务，击破莒、沂方面之敌，恢复莒、沂两县而扼守之”。此时，第59军正向临沂转进中。李宗仁为了使庞炳勋军与张自忠军能更好地协同作战，特派战区参谋长徐祖诒代表战区司令长官去临沂指导作战。并致电庞炳勋，大意为：临沂为台儿庄及徐州屏障，必须坚决保卫，拒敌前进。除已令张自忠部来增援外，并派本部参谋长前往就近指挥。
庞炳勋接电后大喜。重新调整部署，缩短了战线，以第115旅防守桃园至蒋家庄之线，以第116旅防守蒋家庄至黄山之线，以第229团、补充团及军、师直属队为总预备队，控制于临沂城关地区，以第39师师长马法五为前线总指挥。
3月11日，徐祖诒和张自忠率第59军从峄县以一昼夜180里的速度急行军，于12日到达临沂城西地区。3月12日下午，第59军主力全部抵达临沂西郊，并集结完毕。从峄县至临沂，相距90公里，第59军只用了一昼夜。正在与日军激战的庞炳勋的第3军团官兵，忽闻张自忠大部队赶到，阵地上顿时欢声雷动，军心大振。
其实，庞炳勋自得知战区将派张自忠应援临沂后，心中一直担心他是否愿意前来增援。
一幕幕不愉快的往事浮现在眼前……
那是1930年5月，蒋介石同冯玉祥、阎锡山之间的中原大战正打得昏天黑地。当时，担任反蒋军第2路总指挥的庞炳勋，正率部与蒋军激战。
突然得知一直坐山观虎斗的张学良率军出关了，发来电文拥护蒋介石讨伐冯玉祥，而且已经占领平、津。庞炳勋闻之，深感意外。反蒋军的败局已无可挽回了，庞炳勋不得不撤出战斗。
后来，蒋介石的特使来与庞炳勋密谈。用金钱地位策反庞炳勋倒戈，在利诱面前庞炳勋最终动摇了。而他反戈一击的第一个目标，便是阵容整齐、训练有素的友军——第6师张自忠部。
深夜，庞炳勋的一个精锐团，悄悄地围住了第6师师部。此刻，师部会议室灯光通明，毫无防备的张自忠正在召开着团以上干部的作战会议。
庞炳勋部将张自忠的高级干部团团包围了。最后，张自忠总算杀出一条血路而逃。
张自忠从此发誓，“此仇不报，我张自忠誓不为人!”
此刻，庞炳勋想起这段往事，悔恨当初鬼迷心窍，反戈相向，同室操戈，现在想想真对不起张自忠。如今张自忠来了，不要说他老弟会报一箭之仇，就是按兵不动，自己今天也死无葬身之地了。
正在沉思中的庞炳勋，当他远远看到身躯高大的张自忠走向自己的指挥所，心中高悬了几天的石头终于落了地。他又吃惊又感动，急忙迎上前去，久久握住张自忠的手。俩人相视，默然良久，数年积怨，顷刻冰释。
张自忠大度地说：“大哥你放心，我决心尽力帮你打赢这一仗!”
庞炳勋神情为之一振，随即风趣地说：“老弟呀，人家说你要在北平当汉奸，我才不相信呢。我了解你的为人，所以我大为放心。”
张自忠开怀大笑：“今天倒是要他们看看，我张自忠是不是汉奸?!”
当日召开联席作战会议，商讨作战计划。庞炳勋要求张自忠接替城防，但张自忠主张与其坐待敌攻，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，贵军可以徐徐后撤，诱敌深入，把敌人的右侧翼暴露在中国军队的正面，这样有利于中国军队的攻击。”徐参谋长深以为是，并与张自忠商定14日拂晓发起攻击。统一认识后，由徐祖诒以第5战区司令长官的名义于13日下达了作战命令。主要内容为：
(1)59军以一部确占石家屯一带高地，向葛沟、白塔间分途侧击，牵制敌人之增援；主力由船流至大、小姜庄间渡河，向南旋回，与40军呼应，包围歼灭敌之主力于相公庄、东庄屯、亭子头以南地区。在高里附近之陆战队暂归指挥。
(2)40军以主力由沂河东岸与59军呼应，包围敌之主力歼灭之；在沂河西岸之一部，渡河侧击尤家庄附近之敌。
(3)两军作战地境(略)。
(4)以上各部着于13日晚准备完，14日拂晓开始攻击。
第59军以第38师附野炮第1营为左翼，于13日16时出发，先以1个营占领茶叶山，掩护师主力在石家屯、刘家湖、钓鱼台地区向东展开；第113旅、第112旅为第一攻击部队，进攻张家庄、白塔、沙岭一带敌人；第114旅为预备队，随师部位于刘家湖。第180师附山炮第1营为右翼，13日16时30分出发，至前安静庄、大小姜庄地区向东展开；以第26旅担任第一线攻击部队，进攻徐太平、亭子头一带的敌人；第39旅为预备队，随师部位于中安静附近。军部在进攻开始时位于朱潘村。
第40军的第39师以第115旅与第59军协同，向尤家庄之敌侧击，以第117旅向东、西旺一带之敌进攻。
14日凌晨3时许，59军强渡沂河，向日军第5师团发动猛烈进攻。一时间，枪炮大作，地动山摇。张自忠率军部推进至朱潘，就近指挥作战。当记者请他预测战役胜负时，他坦率地说：“这次攻击是成功，还是失败，现在没有把握。板垣的部队实力很强。不过我将尽全力去做，以求良心之所安。”