古城一带的部队在日军猛攻下，为“节约兵力”缩短战线，亦退至十里铺、前后岗头线。临沂形势又趋紧急。庞炳勋电告蒋介石：“职军伤亡殆尽，总计战斗兵现不满千人。”徐祖诒于26日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”。
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