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15时亦电告李宗仁：“庞军兵力损失过巨……已失战斗力，张军实力虽剩半数，而士气较前甚差，非有生力援军，临沂难守，祈早决定。”李宗仁急调第57军第111师的第333旅及第20军团的骑兵团驰援。
27日拂晓开始，日军将主要进攻方向指向沂河以西的张自忠部。至28日夜，张自忠向李宗仁电告：“战事激烈为前所未有……职军两日以来，伤亡两千人，连前此伤亡达万余人。职一息尚存，决与敌奋战到底。”29日7时，第333旅到达临沂城东，下午，第20军团的骑兵团亦到达临沂城西。但此时日军第2军“因濑谷支队(台儿庄)方面的战况吃紧，命令第5师团救援濑谷支队。于是第5师团命令坂本支队暂时中止攻击沂州(临沂)，去救援濑谷支队。坂本支队队长在临沂附近留下步兵约2个大队，主力从29日夜开始缩小战线，撤兵南下”。临沂形势有所缓和。
3月30日，临沂守军发现日军“向北退却”，当即“令333旅沿沂河，骑兵团向艾山、义堂集一带追击”。日军第5师团师团长板垣征四郎在坂本支队西进后于3月31日进至汤头，接着又进至临沂西北的义堂集，指挥坂本支队留下的两个大队，将追击的中***队阻止于汤头及义堂集以南，然后重新调整部署，增调部队，作再次进攻的准备。临沂地区虽然每日仍有战斗，但在日军发动大规模进攻前，形势相对稳定。在临沂地区1个多月的战斗中，第59军及第40军共伤亡1万余人。日军第5师团伤亡约3000余人，并未能完成攻占临沂的任务。这是该师侵入中国以来，继平型关受挫后遭到的第二次严重挫折。