北线作战的第一个焦点，是临沂争夺战。
临沂位于徐州东北，是防守徐州的一道重要门户。临沂县城外，金雀山、银雀山两座山东西对峙，相传早年这两座山上开满了黄色和白色的草花，状如云雀，因而得名。
徐州会战，临沂成为中日双方数万军队争夺的一个重要战场。
1938年2月下旬，北路日军华北方面军第二集团军司令官西尾寿造指挥第五、第十师团的部分兵力，分两路向南进犯。其战斗部署是：
日军第五师团长板垣征四郎指挥第二十一旅团向临沂突击。这个师团一部曾在平型关遭到八路军第一一五师的沉重打击。
西路：日军第十师团矶谷廉介指挥长濑谷支队从济宁地区西渡运河，向嘉祥进攻；命令濑谷支队沿津浦铁路南进，向滕县进攻。
日军进攻的枪声，首先在东路的临沂方向响起。
3月5日，东路日军第二十一旅团进至临沂北面的汤头、白塔一线。这路日军共有3个步兵团、一个炮兵团、一个骑兵营，共20000多人。主要编制有：第十一联队所属两个大队；第二十一联队；第四十二联队所属一个大队；野炮兵第五联队所属两个大队；山炮兵一个中队。
汤头、白塔一线，距离临沂城只有5千米，日军占领进攻出发阵地后，随时都可能向临沂发动攻击。而防守临沂的中国军队只有庞炳勋军长指挥的第四十军所属5个团。
庞炳勋指挥的这些部队在防守临沂初期，战果显著。2月下旬，日军开始南下侵犯，庞炳勋要求部队严密防守，主动出击。
在庞炳勋的指挥下，第一一五旅前出到莒县与日军激战，歼灭日军200多人，自己伤亡500多人，战后，撤退到临沂附近的相公庄。第一一六旅在垛庄、汤头一线截击日军，歼灭日军数十人，击毁汽车3辆，缴获汽车1辆，战后，部队退到临沂的诸葛城。
日军在3月上旬发动进攻，显然进行了充分准备。日军的二十一旅团不但编制满员，还有飞机大炮配合。庞炳勋军长要求部队严守阵地，同时把日军进攻的严重情况如实向李宗仁报告。
李宗仁深思熟虑之下，觉得如要确保徐州安全，就必须加强兵力，遂向蒋介石要求调增兵力。
3月10日，日军在坦克、飞机和众多炮火的掩护下，向临沂发起了猛烈的攻击。庞炳勋军长严令部队坚守阵地，不准放过一名日军。激烈的战斗进行了一天一夜，日军始终无法突破第四十军的防线。
这一天战斗，使徐州的外国使团和记者感到吃惊。日军精锐的板垣师团竟然无法突破中国一支“杂牌军”的防守。此日的结局使板垣征四郎也恼羞成怒，他一面调遣增援部队，一面命令第二十一旅团继续对临沂发起猛攻。
日军连续不断的猛烈进攻，使第四十军遭到重大损失。庞炳勋把警卫排都派到阵地上去了，预备队也没有了，不得不连发急电，请求李宗仁支援。李宗仁为难了。庞炳勋势单力薄，应该派部队去支援。张自忠指挥的第五十九军及所属第三十八师、第一八零师离临沂不远，本该调第五十九军增援临沂。但是，张自忠与庞炳勋之间的成见颇深。
战前，张自忠得知庞炳勋率领第四十军也来参加徐州会战，曾对人说：在任何战场都可以拼死一战，唯独不愿意与庞炳勋在一个战场作战。
李宗仁想起张自忠战前那句话，觉得很难让张自忠率领部队去解临沂之围。
可是，第五战区除了滕县附近张自忠指挥的第五十九军外，没有其他部队可以调动了。虽说军令不可违，但是，如果张自忠心中不痛快，即使率领部队行动，也难以真正解临沂之围。李宗仁思前想后，决定亲自找张自忠谈话。
这天，李宗仁找到张自忠，试探性地问：“张军长，临沂战场万分危急，你知道吗？”
“看到战况通报了。”张自忠响亮地回答。
李宗仁点了点头，开门见山地说：“张军长，你和庞炳勋有宿怨，我甚为了解。本来，我不想强人所难。不过，以前的内战皆为私怨私仇。现在，庞炳勋军长在前方浴血抗日，乃属雪国耻、报国仇。希望你以国家为重，受点委屈，摒弃个人前嫌。我命令你立即率领部队前去解临沂之围。你务必要绝对服从庞军长的指挥，切勿迟疑，贻误战机。”
“绝对服从命令。”张自忠不等听完李宗仁的话，腾地站起来，声音里有一种强烈的激情，一种对日军无比仇恨的激情，一种爱国的激情。
听到张自忠的回答，李宗仁严肃的脸上露出了少有的笑容，连声说：“这就好！这就好！”
张自忠离开指挥部时，又回头说：“请李长官放心，我部立即行动。”
李宗仁有一种预感，一种明显的预感。他对身旁的一名军官说：“你们准备好，临沂战场一定会有捷报传来。”
张自忠接受李宗仁下达的命令后，立即指挥部队行动。第五十九军星夜兼程，部队日行军90千米，赶到临沂北郊的沂河西岸时，已经是3月11日傍晚了。
这时候，临沂战场上共有中国军队3个师，约30000人。由于张自忠率领部队赶到临沂，敌我兵力对比发生了根本性的变化。
张自忠不等安营就绪，立即组织部队进行侦察。张自忠得知，当面日军共有3个联队，约9000多人。日军装备有大量装甲车、坦克、大口径火炮，作战时有飞机配合，临沂城外一些村庄已被日军占领。于是，张自忠命令部队加强战备，自己设法与守城部队取得联系。
庞炳勋得知张自忠亲自率领部队从滕县附近赶来增援，深受感动。庞炳勋把第五战区参谋长徐祖诒叫过来，同张自忠一起研究作战计划。
张自忠提出，我军应利用暗夜向日军的侧背出击，庞炳勋和徐祖诒都表示同意。三人决定，部队以攻为守，采取侧背袭击日军的战术，解临沂之围。
以攻为守，侧背出击，这是李宗仁徐州会战的基本作战思想的体现。这一战法化解了临沂之围。
徐祖诒参谋长看到庞炳勋所在的第三军团军团部离前线只有1.5千米，难免有些担心。他对庞炳勋说：“军团部是不是转移到付家庄去？”
庞炳勋摇了摇头，拒绝了徐祖诒的善意。他说：“现在敌情这么严峻，如果我庞某临危后退，前方就会士气动摇，临沂城就难保了。”
3月14日凌晨3时，张自忠指挥第五十九军右翼队强渡沂河，占领东岸后，向日军的右侧后发起猛烈攻击。日军第二十一旅团正集中力量向临沂攻击，万万没有想到自己的背后突然冒出来第五十九军，部队顿时混乱起来。
这天，张自忠指挥的部队歼灭了日军2000多人。此后数日激战，第五十九军夺回了被日军攻占的亭子头、沙子岭等多处据点。
3月16日，日军在航空兵配合下，向第五十九军防守的崖头、刘家湖、钓鱼台一线阵地反扑。第五十九军第三十八师官兵顽强抗击，战斗中，中国军队的官兵与日军短兵相接，异常勇敢，一些部队的官兵遭受重大伤亡，仍然坚守阵地。
庞炳勋的守城部队看到张自忠将军亲自率领援军赶到，士气大振。3月18日，第五十九军与第三军团的部队内外夹击，联合行动，分别从东面、南面和西面3个方向攻击汤头、王疃、傅家地附近的日军。经过3天激战，日军狼狈地向莒县逃窜。
这次战斗，张自忠与庞炳勋合作，指挥部队歼灭日军3000多人，击落飞机2架，击毁坦克6辆，缴获大量枪支弹药和军用物资，取得了临沂战场的第一次胜利。
临沂战场的第一次胜利，在全国产生了重大影响。《大公报》曾以“临沂大捷”为标题，发表了社论，对部队的勇敢战斗给予高度赞扬。蒋介石和李宗仁都给予庞炳勋嘉奖。
这次战斗的胜利，与张自忠的鼎力相助密不可分。战后，有的官兵谈到张自忠率军增援临沂这一行动时，赞不绝口，说：当时“若非张大义凛然，不挟前嫌，及时赴援。庞氏已成瓮中之物，必致全军覆没，更谈不上临沂、台儿庄大捷了”！
3月20日，张自忠接到命令，第五十九军主力调到临沂西面的费县作战。
3月23日，日军第二十一旅团得到第五师团给予的增援以后，再次向临沂发动猛攻。庞炳勋指挥部队在沂河西岸坚守。部队连续作战，得不到有效的补充和休整，伤亡惨重。部队撤到临沂近郊后，庞炳勋深感兵力不足，命令他身边的特务营、学生队等凡有战斗力的人，都要上战场。
李宗仁为了守住临沂这个要点，再次命令张自忠率领第五十九军星夜东进，驰援临沂。
此时，台儿庄战役已经打响，临沂的得失直接关系到台儿庄战役的成败，影响到徐州会战的成败。李宗仁对坚守临沂的决心很坚决。
3月24日，张自忠指挥第五十九军主力从临沂的西北方向对日军的侧背发起攻击，一部分兵力前往临沂城，增援庞炳勋坚守临沂，确保临沂不失。
第五十九军向日军发起攻击之初，进展顺利。但是，日军很快进行反击。日军第二十一旅团再次遭到张自忠部的袭击，已经不像第一次那样慌乱了。这一次，日军对作战部署稍作调整以后，就凭借优良的武器装备向第五十九军进行反扑。激烈的战斗持续了数日，日军遭到重大伤亡。
茶叶山战斗中，张自忠为了争取主动，把师预备队调到山南，攻击日军的侧后。当日军增加兵力争夺茶叶山时，张自忠命令总预备队投入战斗，日军反攻受挫。
3月29日下午，张自忠下达了全军总攻击的命令。五十九军势如猛虎，日军节节败退，但退至沙岭子时，却凭借已有工事和优势火力顽强抵抗。中国军队几次冲锋，都难以突破日军阵地，部队遭受重大伤亡。
张自忠的心揪紧了。临沂战斗，这是“卢沟桥事变”以来重返前线指挥的第一仗。现在，战斗已经到了千钧一发的关头，士兵们在流血，阵地前到处是尸体。
张自忠站在前沿阵地上，耳边不时传来一阵阵炮声，那是台儿庄战役的炮声，那是徐州会战的炮声。听到这炮声，将军的热血沸腾了……
张自忠猛地拿起笔，写下3条手令。其中写道：
敌人亦到最后关头，看谁能忍最后之一秒钟，谁就能成功。我困难，敌之困难更大；我苦战，敌之苦处数倍于我。望率所部撑眼前这一极小之时间，甚盼，甚盼。
张自忠的手令转达到部队以后，官兵们争相传阅，部队士气大增。在中国军队震天动地的冲杀声中，日军败退了。
中国军队取得了临沂战场的第二次胜利。
日军第二十一旅团自1938年3月初对临沂发动进攻以来，进展缓慢，平均每天前进不到两千米，且伤亡惨重。全支队一共8000多人，被歼灭3000多人。这使板垣征四郎非常恼火。
3月31日，板垣征四郎来到汤头镇，严厉训斥溃败下来的日军，命令该部死守，决不能后撤。
4月初，日军重新组织力量对临沂发起了第三次攻击。这时候，中国军队在台儿庄对孤立冒进的日军矶谷联队基本形成了包围，一旦日军第五师团的部队突破临沂，与矶谷联队会合，必将对在台儿庄地区作战的中国军队造成重大威胁。
为此，李宗仁严令庞炳勋必须坚决守住临沂。守住临沂就等于拖住了板垣征四郎的后腿，使这支日军的“精锐”部队无法接近台儿庄。
4月19日，日军的飞机对临沂城进行猛烈轰炸。日军地面部队看到临沂的西城门被炸毁，立即发起冲锋，涌入临沂城。庞炳勋和张自忠看到形势万分危急，指挥部队同日军一条街一条街地争夺，一条巷一条巷地拼杀。
那几天，临沂城里，街街都在发生肉搏战，巷巷都有枪声。中国军队伤亡惨重，但官兵决不放弃临沂。
台儿庄战役接近尾声时，中国军队奉命退出临沂，向郯城等地转移。
持续数月的临沂保卫战，张自忠、庞炳勋两支部队互相配合，挫败了日军第五师团与第十师团在徐州北面会师的企图。板垣师团号称是日军中的“铁军”，中国军队能以劣势装备挫败日军的连续进攻，这对全国的抗日战场是一个鼓舞。
临沂战斗，第五十九军虽然伤亡了9000多人，但为尔后的台儿庄大捷奠定了坚实的基础。战后，张自忠提升为第二十七军团军团长，同时兼任第五十九军军长。
李宗仁将军回忆临沂之战时，说：“临沂一役最大的收获，是将板垣、矶谷两师团拟在台儿庄会师的计划彻底粉碎，造成尔后台儿庄血战时，矶谷师团孤军深入，为我围歼的契机。”
李宗仁还指出：“此次临沂之捷，张自忠的第五十九军奋勇赴战之功，实不可没。”
白崇禧回忆临沂之战时，说：“张将军在徐州会战之临沂战役，与庞炳勋将军将敌精锐第五师团击溃，减轻徐州战之压力，使台儿庄获得抗战以来第一次胜利，于战史上占有辉煌的一页。”