張自忠與徐祖詒、龐炳勛緊急磋商，決定縮短戰(zhàn)線，東部防衛(wèi)依舊由龐炳勛四十軍擔任，五十九軍據守八里屯七溝、小嶺、古城、任埠一線。軍部移駐白衣莊。

徐祖詒電報李宗仁上述情況，并報稱，龐軍已基本喪失戰(zhàn)斗力，臨沂主要靠五十九軍支撐，但傷亡極重，且極為疲困，士氣受到影響，故請速派援軍。

李宗仁即派三十二軍一三九師黃光華部、五十七軍三三三旅及湯恩伯部騎兵團馳援。

27日，板垣征四郎親自坐鎮(zhèn)，指揮第五師主力向五十九軍發(fā)動多路進攻，攻擊大嶺、小嶺、北道、南沙埠、古城，為配合這次攻擊，還出動了大批飛機、坦克、野炮、山炮。

張自忠東抽西調，分頭迎敵。大嶺、小嶺方面戰(zhàn)斗尤為激烈，敵機往復轟炸，并以密集炮火進行轟擊，村中房屋著火燃燒，硝煙彌空。日軍在炮火掩護下多次發(fā)起沖鋒，三十八師在此地的一個團和另一個營大部傷亡，陣地岌岌可危。一向沉穩(wěn)、老練的黃維綱師長，不得不向軍部求援。

張自忠命令：“你們要堅決頂住。我們困難，敵人更困難。要堅持最后5分鐘！我已命令劉振三師派1個團從諸葛城向敵左側進攻，支援你師一一二旅方面作戰(zhàn)，不久即可到達?！?/p>

黃維綱焦急地說：“軍長，問題是正面部隊有頂不住的樣子，眼下實在沒人可調了。”

張自忠一瞪眼，發(fā)火了：“沒有人嗎？為什么還有人說話？”

黃師長一聽，二話沒說，電話一擱，到前線督戰(zhàn)去了。

張自忠深知黃維綱的性格，不到萬分緊急他不會輕易求援。因此把手頭僅有的軍部手槍營和六七六團和二營緊急集合起來，由他親自率隊支援。三十八師官兵見軍長親臨督戰(zhàn)，士氣倍增，戰(zhàn)線也穩(wěn)定下來。

張自忠在陣地上通過敵人火力觀察，看出日軍右翼較弱，他即命令組織小部隊向敵人左翼佯攻，以吸引敵人火力。另以一個加強連組成敢死隊由小嶺村后悄然繞至敵右側翼，突然發(fā)起襲擊。敵人猝然受到攻擊大驚，敢死隊沖入敵群中，大刀狂揮，左砍右劈，猛烈沖殺，上百名日軍頃刻成了刀下鬼，其余日軍，嚇得魂飛魄散。正面守軍，乘機出擊，日軍潰敗而逃。

日軍在大嶺、小嶺受挫，又轉向前后崗頭、古城等地對一八○師發(fā)動攻擊，兩度攻入前后崗頭村內，都被一八○師奮力擊退。但古城卻被敵人占領。

28日，日軍又增兵千余，繼續(xù)猛攻小嶺、南沙埠、北道及前后崗頭等地。

在師勞兵疲和極度消耗下，裝備精良的千余日軍生力援兵對五十九軍造成極大壓力。但龐炳勛此次居然按兵不動以保全實力。五十九軍孤軍苦戰(zhàn)，蒙受巨大傷亡，被迫放棄小嶺。

兩個星期連續(xù)不斷的殘酷戰(zhàn)斗，局勢十分嚴峻，使張自忠和五十九軍，經受前所未有的沉重、嚴峻考驗。長時間的鏖戰(zhàn)，使官兵們在體力上、精神上都受到極大影響，戰(zhàn)斗力明顯下降。依靠他們自身的意志力幾乎難以支持下去。這對張自忠是一個十分嚴峻的考驗，如果他不能有效地恢復士氣，不僅兩周來的奮戰(zhàn)，上萬名弟兄的熱血都將付之東流，前功盡棄，使這支部隊將徹底垮掉，從此一蹶不振。后果不堪設想。

在如此巨大壓力下，張自忠表現(xiàn)了非凡的勇氣和堅韌的精神。他馬不停蹄地奔波于各個陣地，激勵官兵，同官兵們一起戰(zhàn)斗。他鏗鏘有力、充滿激情的訓話和身先士卒、英勇無畏的英雄氣慨，感染了全體官兵，使他們內心的希望之火和勝利信心始終燃燒著。他們苦苦撐持等待援軍。

但是，作為援軍主力的三十二軍一三九師黃光華部，卻玩弄保存實力的故伎（注：黃光華在1933年長城戰(zhàn)役時就玩弄這一手，致使長城要隘冷口失守，使日軍突入長城內，令防守喜峰口一帶的宋哲元、張自忠不得不在勝利的情況下飲恨撤兵。此次他又故伎重演，按兵不動，以保存自己實力，殊為可恨。）

援兵不至，使張自忠五十九軍咬牙苦撐，殊死奮戰(zhàn)，傷亡慘重。

后來黃光華的劣跡被戰(zhàn)區(qū)發(fā)現(xiàn)，明令將其撤職法辦，黃某悔恨已晚。但其為抗日造成之損失實無法彌補。其行為實以漢奸賣國賊無異，故依法懲辦也是罪有應得，罪不可逭。

援兵盼不到，卻盼來了陳調元率領的中央軍事委員會勞軍團，這對于士氣多少有些鼓舞。

在援兵不到的情況下，張自忠只好再次縮短戰(zhàn)線，集中兵力扼守臨沂城以西以北韋家屯、曹家、七得、十里鋪、王莊、前后道溝、崗頭一線。

日軍第五師自對臨沂發(fā)起進攻以來，苦戰(zhàn)經旬，卻被裝備低劣的中國軍隊所阻，不能越雷池一步。此時此刻，日本鐵軍卻顯得如此無用，據當時日本雜志透露，板垣征四郎又羞又惱，幾欲自殺。

29日，他再命令坂本支隊在援軍配合下猛攻前后崗頭，企圖突破臨沂西側防線。

張自忠督率一八○師拼死反擊，寸土不讓。他在給李宗仁電報中說：“職一息尚存，決與敵奮戰(zhàn)到底?！?/p>

在援軍遲遲不到的情況下，五十九軍又孤軍奮戰(zhàn)了一整天，頂住了日軍的猖狂進攻。

在兩次臨沂大戰(zhàn)中五十九軍傷亡達一萬余人，尤其是第二次臨沂戰(zhàn)役，從25日到29日，每天傷亡均在千人以上。