韩复榘被处决后，确实起到了杀鸡吓猴的作用，官兵们个个精神振奋，对上级指令不敢有丝毫怠慢。李宗仁命令孙桐萱率部向运河以西推进，袭取济宁和汶上的日军据点，牵制日军主力。第二十二师在夜晚从大长沟渡过运河，两天后的晚上，派一支小部队攀登进入济宁城，与日军短兵相接，血战三天，因力量悬殊，入城部队伤亡极大，晚上撤到运河西岸。
与此同时，孙桐萱第十二军第八十一师夜晚从开河镇渡过运河，派一支部队从城西北攻入汶上城内，与日军进行激烈巷战，由于人少势弱，损失严重，也撤向运河西岸。
4日以后，日军相继攻陷安居镇，突破杏花村阵地，守军被迫撤退。李宗仁在相里集、羊山集和巨野一线部署大量兵力，不断侧击南下的日军，使日军在这一带徘徊，不能南进，暂时稳住了战局。
日军见津浦线主力南攻不成，便改变策略，由少壮派军人板垣征四郎和矶谷廉介率领各自的师团，分两路南下，企图会师山东南端的台儿庄。板垣师团和矶谷师团都是日军精锐，大部分官兵参加过“二二六”日本政变。这次，他们分两路夹攻，来势凶猛，大有豹突狼奔、一举围歼中国军队之势。
板垣师团的主力，首先进攻位于徐州东北方的临沂。这里是山东南部在军事上必争的重镇，得失关系全局。紧急关头，李宗仁手上没有总预备部队可以调遣，只好就近抽调原来防守海州的庞炳勋第三军团前往临沂，堵截日军。
久经沙场的庞炳勋，是冯玉祥旧部，在国民党杂牌部队中，以善于保存实力而著称。他位居中将军团长，指挥的部队却只有五个步兵团，实力不足一个军。他对自己的军团被编入第五战区序列有些不满。论年龄，李宗仁是晚辈，要他受晚辈指挥，他心里不是滋味。
李宗仁也担心庞炳勋不易驾驭。庞炳勋一到，他破格到大门口迎接。庞炳勋见司令长官全副戎装出迎，慌忙敬礼：“卑职前来晋谒李长官，怎敢惊动长官出迎”
李宗仁将他引进客厅，说：“庞将军久经沙场，论年资，你是老大哥，我是小弟，本不应该指挥你。只是这次抗战，在战斗序列上，我担任比较重要的职位。论公，我是司令长官；论私交，我们实在是兄弟般的战友，不应分上下。以往我们被迫在内战漩涡中打转，败不足耻，胜不足武。今日天从人愿，为国家为民族而战死沙场，才真正死得其所。你我都是几十岁的人了，死也值得，不愧为一个军人。”
庞炳勋听了这番话，很受感动，便说：“长官德威两重，我们当部属的，能在长官之下为国效力，天日在上，万死不辞！长官请放心，这次我决不再保存实力，一定同敌人拼到底”
李宗仁询问有什么困难，庞炳勋叹息道：“我原有五个团，现在中央有令，要我把一个特务团归并，编为四个团。我的部队兵员都是足额的，要我把这个团归并到哪里去？不归并，就只好遣散。现在正是用兵之际，各部队都在扩充，怎么惟独要我的部队遣散？”
李宗仁对庞炳勋颇为同情，允诺呈报军委会，力争解决。李宗仁几经交涉，军政部复电说，蒋介石允许第三军团暂时维持现状。消息传出，庞炳勋感激涕零。他的部队很快得到了弹药装备的补充。
庞炳勋军团刚到临沂县城，还没来得及休息，板垣师团就猛扑过来。庞炳勋在部属中威信颇高，指挥灵便，部队战斗力强，死守县城。日军在飞机大炮配合下，连日反复冲杀，伤亡枕藉，竟无法击溃守军，令板垣大感意外。
日军久攻临沂不下，便撤到汤头以南阵地，经过休整补充，调来援军五千人，配属三十多门大炮，二十多辆坦克，又向临沂防地压来，攻占了沂河以东、汤头以南的几个村庄。庞炳勋严阵以待，誓与临沂城共存亡。全军上下奋力拼搏，牺牲太大，渐感不支，连忙告急，请求援助。
李宗仁赶紧命令张自忠的第五十九军从滕县增援临沂。
张自忠也是冯玉祥旧部，他的大刀队曾在喜峰口长城抗战中靠着近战和夜战砍杀日军，杀出了威名。卢沟桥事变时，他在宋哲元手下当师长，由宋哲元保荐给蒋介石，被委任为北平市长。他奉宋哲元的密令，与日军周旋，忍辱负重，掩护宋哲元军安全撤退，外界不明真相，以为他是卖国求荣的汉奸。中国军队南撤后，张自忠被困在北平城内，缒城脱逃。
张自忠从济南来到南京，舆论界呼吁对他严惩，以儆效尤，军界则有人想乘机收编他的部队。李宗仁认为他为人侠义，治军严明，不愧为西北军中一员勇将。在他处境艰难时，李宗仁邀他恳谈，对他说：“荩忱兄，我知道，你受委屈了。”
张自忠听了，忍不住流下泪来，微微一点头，默默地听李宗仁说下去：“现在舆论谴责你，因他们不知底蕴，等他们明白了事实真相，就不会责骂你了。他们的动机是纯洁的，我想，你会原谅他们的。我是了解你的，当然，也谅解你。”
张自忠羞愧地说：“这次个人冒险来京，是以待罪之身前来投案，等待中央治罪。”
“荩忱兄，我劝你不要灰心失望”李宗仁鼓励他，“我准备向委员长进言，让你回去继续带部队。”