2月2o日，完成前期作战任务之后的日军在稍作休整之后继续南犯。
板垣征四郎指挥第第第第第第第5联队各3个中队及师团直属通信队、卫生队各一部计6ooo余人自高密出击，趋诸城奔莒县，夺取莒县之后向沂河以东地区进军；其二以步兵第第第第第第第5师团直属工兵、轻重兵若干计第55军余部，并在驱逐曹福林部后沿沂河西岸前进最后与坂本支队会师于临沂城下。
根据上述计划，日军坂本支队于2月第第1o2师一个营约3oo人、周边保安团4oo余人以及从青岛撤出的胶南民团和部分海军人员，总兵力不过千余人，且军械极度匮乏，重武器唯有一两挺机关枪而已，在大举进犯的日军面前根本没有抵抗能力。战斗打响后，日军以前锋一个大队并火炮数门猛轰诸城城墙，仅仅25分钟后就破城而入，守军稍作抵抗便一哄而散，仅仅一个小时后诸城即告沦陷。
3月1日，仅有少量保安团队和地方警察据守的五莲县城也宣告易手，曾任东北军7师6旅旅长、15师中将师长、东北军总司令部中将参议、东北边防军总司令部中将主任参事、义勇军5军团总指挥、察哈尔抗日同盟军骑兵挺进军第2挺进军第1游击支队支队长刘震东将军在城墙督战时，被日军枪弹击中头部，身亡殉国。
由于担心日军会直扑日照，刚刚有独立骑兵第第5师不得不以两团兵力急赴五莲山、九仙山一线扼守五（莲日）照公路，与此同时，苏鲁战区急调高桂滋第17军开赴日照西北陈瞳、街头一线预防日军可能的进攻。然而日军却虚幻一枪，按既定之攻击路线，猛攻莒县。莒县地方守备部队问询一哄而散，日军得以兵不血刃开入城中。
而日军国崎支队沿潍沂公路南下，先后攻克乔官、鄌郚、高岩、白塔、蒋峪、大关、马站、高桥，并于第1o2师残部除一部继续在敌后实施游击作战以外，其余的夺路狂奔，最后在冯占海、王奇峰两部的接应下，于蒙阴一线才得到重新集结整顿的机会。 看小说就到~
此时东线两路日军会击临沂的企图已经十分明显了，鉴于临沂的重要性，苏鲁战区急调第1集团军北上增援。第49军所部开始6续进抵临沂。由于集团军司令官于学忠尚在归德地区，两军遂组成联合司令部，由第56军军长刘多荃统一指挥临沂战事。
根据联合司令部的命令，第第115师常恩多部负责在大枣沟头、姚家庄、刘家官庄、小姜家庄、乔家湖、白沙埠一线设防；第129师周福成部在南哨、南庄、南沂庄、东哨、凤仪官庄、柏家庄、石屯庄、李官庄一线构筑工事；第第1o6师霍守义部在沂河以东的三官庙、九曲店、独树头、桃园、甘家屯、相公庄、前河湾一线据守；第第1团及两军直属的补充团、辎重团充当总预备队。
3月6日，日军国崎支队先在沂南越过汶河，河南张庄陷入敌手，日军遂以张庄为前进基地，一路夺取砖埠、青坨。随后日军又越过蒙河，于当日傍晚第1291团在西官庄一线率先交火。
日军仰仗优势火力，不断炮击西官庄、李官庄等前沿阵地。面对日军的猛烈炮击，守军岿然不动，见天色已晚，日军又不擅长夜战，统率日军前锋的第11联队联队长长野佑一郎大佐遂决定暂停进攻，退往青坨扼守公路以待来日再战。
是夜，第129师特务营等部紧急在公路要点半程设防，并以小部不断骚扰日军休整，致使日军主力直至7日下午一时后才重新动进攻。
此时国崎支队主力已经尽数开到。日军调集重炮轰击第129师各阵地。在日军的15o公厘重榴弹炮的轰击下，守军草草构筑的工事多次破损，日军趁机猛攻东北军各处阵地，并于当日夺取大峪、西官庄、仙子峪、李官庄、北张村、下峪子等多处村落。周福成亲自指挥其部第3团并2连师属炮兵动反击，并一度收复大峪、仙子峪等失陷村落，然而在反攻中日军施以飞机大炮，并继而释放毒气，给出击的第3团造成极大的损伤，该团团长应鸿纶也身负重伤。迫于各部伤亡惨重，第129师被迫放弃北线部分村落，收缩防线，至该日日暮，日军又控制了张家寨里、石屯庄两个村落。
西线的日军捷报频传，东线的坂本支队也不甘示弱，其所属步兵第21联队于3月7日动进攻，一部率先夺取树沂庄，而工兵第5联队也在野炮兵的协助下夺取葛沟、车庄、塔桥、前湖崖几处村落，步兵第42联队则夺取要点汤头。
至此，两线日军呈齐头并进之势。
3月8日，日军继续进攻。坂本支队控制刘家五湖后越过汤河在白塔、大姚家庄、东南白塔与守军第1o6师激烈交火，布置在此的东北军几个连队坚守不退，以至于最终全军覆没、以死殉国。日军继续进攻，在郭太平、大太平、八间屋、东水明崖、西水明崖等村落与守军逐屋争夺，在付出近3oo余人的伤亡后将战线推进至柳林头、郑家寨子一线。
就在东线激战的同时，国崎支队猛攻南哨、南庄、南沂庄、柏家庄、船流一线，形势极度危急。有鉴于此，刘多荃勒令第115师自半程出击，侧击日军后方，以解除第第115师奉命以两团的兵力反击大峪，日军被迫分兵，双方在平原上纠缠成一团，一时间枪炮已经失去作用，战斗进入极其血腥的肉搏作战。战至当日五时，第第1152团只剩下了12oo余人，日军同样损失惨重，不得不在丢下7oo多具尸体之后暂停了在南沂庄一线的攻势，退守李官庄等地。
3月1o日清晨，日军坂本支队又向柳林头一线攻击前进，战至中午时分，日军已经攻克独树头逼近临沂东北近郊的桃园、蒋家山、石埠岭、黄山的阻击阵地。在此危难之际，恰好第第2团赶至临沂，吴克仁亲率该师两团及第49军补充团在该军炮兵团的2o余门75公厘山野炮的掩护下向沂河以东地区实施反击。战至下午三时，自相公庄一线出的中**队以锐不可当之势经平墩湖、张八湖一线越过汤河，并向汤头攻击前进。
坂本顺猝不及防，只得一方面被迫以轻重兵第5联队联队长原田真一大佐统领战力稍弱的工兵及轻重兵各2个中队临时维持阻击任务，另一方面抽调正在前线作战的第第42两联队所部4个中队反转回援汤头一线。
然而战局正在交织之中，日军的回撤救援行动当然遭到中**队的就地阻挠。而面对总兵力近8ooo余人、又有多门火炮助阵的中**队，区区4个中队的工兵、辎重兵并不能起到丝毫阻挡的作用。很快吴克仁率部攻入汤头以南的王家五湖、石家五湖地区，此时日军侧后方的树沂庄、集沂庄、滑店子一线已经全面处在东北军的兵锋之下。
见势不妙，坂本顺不得不加快从前线撤军的行动并向一河之隔的国崎登部出请求指导的要求。国崎支队一方面抽调第第2中队越河支援坂本支队，一方面集中力量再度猛攻凤仪官庄一线企图实施围魏救赵之计。
不过此时的中**队已经看到了胜利的曙光，各部全力实施反击，刘多荃甚至将用于扼守临沂城区的第56军补充团和辎重团作为最后的预备队投入战斗，56军军属炮兵团更是全力开火，几乎将所有库存炮弹都倾泻在进犯的日军头上。
在此情况之下，兵力不足的国崎支队不得不再度铩羽而归，但更大的胜利在河东地区，日军在奋起反击的中**队面前溃不成军，甚至丢弃了野炮兵第第1大队所拥有的4门1o5公厘三八式重野炮。
但是中**队并没有能够克尽全功，坂本支队拼死顽抗，国崎支队的援兵又给已经精疲力竭的第1o6师以凶狠的反击，因此迟至当日下午五时，除先后光复郭太平、白塔一线的原有防线以外，吴克仁部也在日军的反击中退回了刘家五湖一线。不过，坂本支队经此一战也元气大伤，经过与国崎支队的联络，坂本顺决定自汤头一线回撤莒县整顿，而失去了坂本支队的侧翼屏护，国崎支队也不得不退往沂南等待补充。
连日的血战不但让日军损失约在4ooo人左右，中**队更因为在重武器上的弱势而死伤累累。经过初步统计，第第第第11o师2个团损失了35oo余人，两军直属队也有不下于3ooo人的伤亡。
比起兵员上的损失，团以下军官的伤亡以及部分火炮、机关枪的损失则更是无法立刻得到补充。由此，虽然失利的日军逐步收缩退却，但东北军也无力扩大战果、实施追击，于是战事就此暂时告一段落。
尽管临沂已经转危为安了，但鉴于日军随时随地可能卷土重来，因此苏鲁战区并没有停止对临沂一线的增援行动。第49军其余部队开抵临沂。第第112师也抵达临沂。与此同时，战区还命令在日照一线的高桂滋第17军除扼守陈瞳一线要点防止日军转攻日照以外，还勒令该部积极主动的向五莲一线试探出击，以阻断日军坂本支队的补给通道。此外，新泰、蒙阴一线的防务也转交第第1o3师转向沂水、沂南，威胁日军国崎支队侧后。