至此，两线日军呈齐头并进之势。
3月8日，日军继续进攻。坂本支队控制刘家五湖后越过汤河在白塔、大姚家庄、东南白塔与守军第106师激烈交火，布置在此的东北军几个连队坚守不退，以至于最终全军覆没、以死殉国。日军继续进攻，在郭太平、大太平、八间屋、东水明崖、西水明崖等村落与守军逐屋争夺，在付出近300余人的伤亡后将战线推进至柳林头、郑家寨子一线。
就在东线激战的同时，国崎支队猛攻南哨、南庄、南沂庄、柏家庄、船流一线，形势极度危急。有鉴于此，刘多荃勒令第115师自半程出击，侧击日军后方，以解除第129师当面之威胁。第115师奉命以两团的兵力反击大峪，日军被迫分兵，双方在平原上纠缠成一团，一时间枪炮已经失去作用，战斗进入极其血腥的肉搏作战。战至当日五时，第1151团仅余700余人，第1152团只剩下了1200余人，日军同样损失惨重，不得不在丢下700多具尸体之后暂停了在南沂庄一线的攻势，退守李官庄等地。
3月10日清晨，日军坂本支队又向柳林头一线攻击前进，战至中午时分，日军已经攻克独树头逼近临沂东北近郊的桃园、蒋家山、石埠岭、黄山的阻击阵地。在此危难之际，恰好第110师第2团赶至临沂，吴克仁亲率该师两团及第49军补充团在该军炮兵团的20余门75公厘山野炮的掩护下向沂河以东地区实施反击。战至下午三时，自相公庄一线出发的中**队以锐不可当之势经平墩湖、张八湖一线越过汤河，并向汤头攻击前进。
坂本顺猝不及防，只得一方面被迫以轻重兵第5联队联队长原田真一大佐统领战力稍弱的工兵及轻重兵各2个中队临时维持阻击任务，另一方面抽调正在前线作战的第21、第42两联队所部4个中队反转回援汤头一线。
然而战局正在交织之中，日军的回撤救援行动当然遭到中**队的就地阻挠。而面对总兵力近8000余人、又有多门火炮助阵的中**队，区区4个中队的工兵、辎重兵并不能起到丝毫阻挡的作用。很快吴克仁率部攻入汤头以南的王家五湖、石家五湖地区，此时日军侧后方的树沂庄、集沂庄、滑店子一线已经全面处在东北军的兵锋之下。
见势不妙，坂本顺不得不加快从前线撤军的行动并向一河之隔的国崎登部发出请求指导的要求。国崎支队一方面抽调3个步兵中队及独立机关枪第6大队所属第2中队越河支援坂本支队，一方面集中力量再度猛攻凤仪官庄一线企图实施围魏救赵之计。
不过此时的中**队已经看到了胜利的曙光，各部全力实施反击，刘多荃甚至将用于扼守临沂城区的第56军补充团和辎重团作为最后的预备队投入战斗，56军军属炮兵团更是全力开火，几乎将所有库存炮弹都倾泻在进犯的日军头上。
在此情况之下，兵力不足的国崎支队不得不再度铩羽而归，但更大的胜利在河东地区，日军在奋起反击的中**队面前溃不成军，甚至丢弃了野炮兵第5联队第1大队所拥有的4门105公厘三八式重野炮。
但是中**队并没有能够克尽全功，坂本支队拼死顽抗，国崎支队的援兵又给已经精疲力竭的第106师以凶狠的反击，因此迟至当日下午五时，除先后光复郭太平、白塔一线的原有防线以外，吴克仁部也在日军的反击中退回了刘家五湖一线。不过，坂本支队经此一战也元气大伤，经过与国崎支队的联络，坂本顺决定自汤头一线回撤莒县整顿，而失去了坂本支队的侧翼屏护，国崎支队也不得不退往沂南等待补充。
连日的血战不但让日军损失约在4000人左右，中**队更因为在重武器上的弱势而死伤累累。经过初步统计，第115师只剩下5000余人，第129师不到7000人，第106师仅余3000多，第110师2个团损失了3500余人，两军直属队也有不下于3000人的伤亡。
起兵员上的损失，团以下军官的伤亡以及部分火炮、机关枪的损失则更是无法立刻得到补充。由此，虽然失利的日军逐步收缩退却，但东北军也无力扩大战果、实施追击，于是战事就此暂时告一段落。
尽管临沂已经转危为安了，但鉴于日军随时随地可能卷土重来，因此苏鲁战区并没有停止对临沂一线的增援行动。3月14日，吴克仁第49军其余部队开抵临沂。3月16日下午，第56军尚未参战的张廷枢第112师也抵达临沂。与此同时，战区还命令在日照一线的高桂滋第17军除扼守陈瞳一线要点防止日军转攻日照以外，还勒令该部积极主动的向五莲一线试探出击，以阻断日军坂本支队的补给通道。此外，新泰、蒙阴一线的防务也转交第55军余部，抽出冯占海第103师转向沂水、沂南，威胁日军国崎支队侧后。
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