军大本营不得不调整战略计划，改由北路日军担任主攻。第一步，以矶谷廉介的第10师团为右翼，沿津浦路南下，直逼滕县。以号称“铁军”的板垣第5团为左翼，从青岛出发，由青公路大举进逼鲁南军事重镇——临；第二步，两支“铁军”会师台儿庄，尔后攻取徐州。
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第5团长板在平型关一役被八路军115重创，正是由于其轻敌冒进所致。本应收敛其一向骄横跋扈之气，但本性难移，急于以不俗战绩血耻，全然不把即将面对的对手——庞炳勋之第3团放在眼里。早在发兵之前，其参谋长梅津大佐提醒板垣：“与我们对阵的是庞炳勋的第3团，大约有5个团的兵力。”
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板垣不屑一顾地说：“庞炳勋，蒋介石手下的一支即将解散的杂牌军，不堪一击！”
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“不过，他们的抵抗很厉害！”梅津大佐鼓起勇气继续提醒他。
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“据说，庞炳勋的士兵，多为中国沧县一带的男子。沧州古称幽燕，民风刚强、好斗，庞炳勋也惯于驱使这些……”
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“这是敌人的自我吹嘘那军队，在我所率领的这支大日本皇军的铁军面前，他们充其量不过是一群任我捏、任我踩的蚂蚁
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板垣的轻敌和狂妄到了.
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号称日寇“铁军”的板垣征四郎第5团由青岛沿胶济铁路西侵，至县转南，经高密，循诸城、县一线，进迫临，妄图夺取临后，与津浦线上矶谷师团在台儿庄会师，尔后从左翼迂回徐州。
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临为鲁南军事上所必争的重镇，得失关系全局。此时，临守备力量仅有三区专员兼临城防司令张里元所属的保安团队2000人。张深知单凭所部难以拒敌中之最强者，遂立即向第5区急电求援。
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第5区司令李宗仁急调驻守海州的第40庞炳勋部驰往临，固守县城，阻击敌人。庞部到达临后，庞立即派人察看临周围的地形，研究敌情及攻守战略，在汤头至葛沟一线，构筑前沿阵地，并从白塔(今属河东区太平街道)起沿河东岸向南至郁九曲一线构筑主阵地。板师团企图强行通过临防地向台儿庄进攻。先后占领了汤头以南沙岭子、白塔、太平、亭子头等村庄，以优势兵力围攻守军40的5个团。庞部以誓与临城共存亡的决心，利用河这一天然屏障，集中火力与敌血战数日，渐感不支。这时适接李宗仁复电：“临为台、徐屏障，必须坚决保卫，拒敌前进。除已令张自忠部前往增援外，并派本部参谋长徐祖前往就近指挥。”徐祖到达临后，认为军部距前线太近，敌弹不断凌云呼啸，主张军部应立即撤到临以南的傅家庄，以免影响参谋作业的心情，而且便于指挥。庞则不以为然，他很坚决地说：“如果我庞某临危后退，前方士气动摇，临城就难保了。”徐、庞意见相左，最后请示战区长官，仍尊重庞的意见，军部不动。
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第59军接到命令后，军长张自忠亲自率部出征，一昼夜里，主动出击，以攻为守，以解临之围。张在庞、张两部高级军事人员会议上说：“在一般情况下，59军以急行军到此，非常疲作休息，再与敌人作战。但兵贵神速和出敌不意，且以我劣势装备，对现代化之强敌，必须利用夜战、近战，方可奏效。应打破常规，提前开始行动。”14凌晨，张自忠指挥全军暗渡水，向日寇“铁军”的精锐第5团右侧背发起攻击，在亭子头、大太平、申家太平、徐家太平、沙岭子等处突破敌防线。敌初不及料，损失惨重，一夜之间，歼敌逾千。日本第5师团被迫放弃>+|59军与日军短兵相接，在河两岸反复冲杀，战线犬牙交错村、逐屋争夺之拉锯战。双方冲杀不下数十次，几度形成白刃战，59军两师连、排长几乎全部易人，营长也伤亡近半。战至16日，战区认为59军伤亡过重，建议撤退。但张自忠坚持再打一天一夜。他说：“我军伤亡很大，敌人伤亡也大。敌我双方都在苦撑，战争的胜利，决定于谁能坚持最后5钟。敌人干上了，我们就要用精神和血肉拼命干一场，不打败敌人誓不罢休！”16日夜10，59军向敌发起空前猛烈的攻击，雷霆万钧，大地震颤。拼杀至17日凌4，59军胜利攻克日军全部主阵地。同日，庞炳勋抓住有利战机，率部猛袭日军侧背，有力地配合了59军的正面攻击。18日，张、庞两军从东南西三面夹击日军，经过昼夜血战，日寇“铁军”精锐第5团终被击溃，残敌大部窜逃。在此战役中，张、庞两军共歼4000余人，+佐、牟田九次中佐和一名大队长。临战役成为抗战史上有名的“临大捷”。蒋介石亲自致电嘉勉，李宗仁通电全国告捷。报纸舆论盛赞：“是役亦当增我抗战中之光荣一页。”有资料说：“日军以载重汽车运回县尸体约一百余车。敌在汤头、葛沟屡次焚化尸体，来不及运