张自忠临危受命，代人受过，但其救国之心矢志不移。

    1937年11月，张自忠回到原部队，其时部队已编为第五十九军，张自忠任军长。经第五战区司令长官李宗仁报请，第五十九军被调往五战区。李宗仁对大有毁词的张自忠以诚相见，使张自忠由衷感激。

    1938年初，日本侵略军板垣师团在山东半岛南沿强行登陆。一路西侵，进逼鲁南军事要地临沂，企图与矶谷师团在台儿庄会师，然后齐头并进，继续深入。3月上旬，日军进至临沂城下，以优势兵力围攻守军庞炳勋第四十军的五个团。临沂告急，张自忠部即应调前往增援。

    张自忠全力增援庞炳勋部一事，体现了他豁然大度、以民族利益为重的品格。原来，张自忠与庞炳勋都是冯玉祥的部下，在军旅中，彼此视为兄弟。但1930年在蒋、冯、阎中原混战中，庞被蒋介石收买，阵中反戈，并且突然袭击张自忠的师指挥部，张险遭不测。张自忠在临沂战前曾对人说过，在任何战场皆可拼死一战，唯独不愿与庞炳勋在同一战场作战。然而，临沂战起，庞炳勋部为日军所困，情形危急，第五战区除五十九军外无兵可调，司令长官李宗仁只得对张自忠说：“你和庞炳勋有宿怨，我甚为了解，颇不欲强人之难。不过以前的内战皆为私怨私仇。庞炳勋现在前方浴血抗战，乃属雪国耻，报国仇。希望你以国家为重，受点委屈，捐弃个人前嫌，我今命令你即率部，在临沂作战。你务要绝对服从庞军团长的指挥，切勿迟疑，致误战机广张自忠听后即表示：“绝对服从命令，请长官放心！”

    后有张宗衡谈及此事时说，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!”

    张自忠接到增援临沂守军的命令后，立即率部星夜兼程，日行一百八十里，于3月11日傍晚赶到临沂北郊沂河西岸。经过侦察，得知当面日军有三个联队共九干余人，并拥有大量装甲车、坦克以及飞机、大炮，临沂城外村庄都驻有敌军。在与守城部队取得联系，迅速做好作战准备后，张自忠决定14日拂晓趁夜暗尚未消逝，兵分三路从北面对围城之敌发起攻击。

    14日凌晨3时，张部右翼队强渡沂水，占领东岸，突然对敌实施攻击，致使日军措手不及。当日夜晚，张部歼敌两千余人。此后数日，双方在几个村庄间展开激烈战斗。临沂守军见张部援军赶到，亦即开城出击，对敌内外夹攻。张部士气高昂，浴血奋战，其第六七八团二营包括营长在内全体官兵勇烈殉国。战中张部短兵相接地与敌作战，用手榴弹和掷弹筒有效地打击敌人，最后敌人占据固守之村落均被攻克，伤亡惨重的日军向外逃窜。

    左翼队在攻击发起后，初时发展顺利，进至茶叶山一带后敌人援军赶到：攻击受挫。双方在茶叶山进行激烈争夺，均投入了大量兵力，茶叶山成为这阶段作战的主战场，张自忠先将师预备队投入战斗，从山南攻击敌侧后；在关键时刻，他又将总预备队全部拉上去。茶叶山血战达八天之久，日军开始溃退。

    29日下午，张自忠下达总攻击令，日军全线退却。

    张部追击敌军到沙岭子，双方又发生激战。日军凭借火力和工事顽强抵抗，致使张部冲杀竟日，伤亡重大，不得前进——步。在战斗紧要关头，张自忠亲书三条手令，其中二、三条为“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。”这手令对作战部队鼓舞颇大。后因商震部增援不力，战机丧失，作战终未达到全歼溃敌之目的。至3月底，临沂之围告解。