由于張里元治理有方，原來匪患遍地的沂蒙山區(qū)政令暢通，百姓富庶，張里元也由此被推為模范縣長和模范專員，兩次到南京受訓(xùn)。韓復(fù)榘對張里元也極為信任，命他在臨沂分批輪訓(xùn)省屬各縣縣長，張里元搜集成功的經(jīng)驗事例，總結(jié)出“不愛錢，不怕死，愛國家，愛百姓”幾個專題，與諸位同僚分享。訓(xùn)練班中，沂水縣長范筑先蒼髯霜鬢，年齡最長，但他上課時始終端坐聽講，聚精會神，毫無倦意。張里元對其甚為尊敬，二人非常投機。后來范調(diào)聊城任職，兩人還經(jīng)常書信往來，互相勉勵?？箲?zhàn)爆發(fā)后，韓復(fù)榘不戰(zhàn)而逃，山東省七個行政督察專員中只有張里元和范筑先沒有逃走，留在任所率部抗日。

1938年3月初，日軍板垣師團由青島經(jīng)高密、諸城、莒縣一線進攻臨沂。當(dāng)時臨沂城防司令由張里元兼任，他手下只有區(qū)區(qū)兩千余人的保安團隊，情況危急，張連忙向徐州第五戰(zhàn)區(qū)急電求援，第五戰(zhàn)區(qū)司令長官李宗仁派第四十軍軍長龐炳勛馳守臨沂。龐炳勛和張里元率眾堅守城池，與日軍激戰(zhàn)一月有余，屢挫日寇。

4月19日拂曉，日軍攻占臨沂城西門，并在城頭豎起日軍軍旗。龐炳勛命令張里元組織敢死隊，兩小時內(nèi)必須拔掉日旗。張里元受命后，親自組織特務(wù)營官兵三百余人集合，大聲喊道：“我任隊長，以死相拼，誓奪西門！”官兵見狀，無不奮勇，特務(wù)營營長鄭殿元脫衣赤膊，挺身跳出，高聲呼道：“敢死隊長由我擔(dān)任，專員請在后面督戰(zhàn)！”說罷即率三十余名魯南壯漢，手提大刀，腰插二十響盒子炮，直闖西門，與敵短兵相接。不到半個小時，我方勇士就全殲敵人，拔掉日旗，奪回西門，大大振奮了我軍士氣。4月21日，臨沂城陷入敵手，守軍奉命轉(zhuǎn)移。張里元也率隊伍撤至臨沂西部費縣山區(qū)，與日軍展開了游擊戰(zhàn)。

晚景凄涼，客死異鄉(xiāng)

張里元以保安一、二旅和特務(wù)團為骨干，在沂蒙山里招兵買馬，擴充隊伍，他將臨沂、費縣、沂水等地的小股地方武裝招編，至1939年間，張里元已擁有八個旅和一個特務(wù)團近萬人的隊伍，在魯南一帶赫赫有名。此間，張里元與中共山東分局和八路軍多有默契，與朱瑞、徐向前、張經(jīng)武、郭子化、郭洪濤等中共山東領(lǐng)導(dǎo)人也經(jīng)常接觸。后來國共之間起了摩擦，省主席沈鴻烈讓張里元去騷擾中共山東分局駐地王莊，被張里元斷然拒絕。

張里元原來與韓復(fù)榘關(guān)系不錯，韓對他有知遇之恩，張對其也一直心存感激。因為這個，韓被蔣介石槍斃后，張里元不太買新任省主席沈鴻烈的賬，兩人關(guān)系不睦，時有齟齬發(fā)生。1941年，沈鴻烈找借口免了張里元的職，任命張原來的軍法官、蒙陰縣縣長鄭小隱為臨沂專員。張手里有人有槍，根本不在乎，于是便轉(zhuǎn)投沈鴻烈的政敵、蘇魯戰(zhàn)區(qū)總司令于學(xué)忠，擔(dān)任了蘇魯戰(zhàn)區(qū)第一游擊縱隊司令，在日照、莒縣、沂水、費縣一帶與日軍周旋。