三十八师一一四旅配置于刘家湖附近，担任军预备队。
军部设于距临沂城东六公里的南曲坊村。
14日凌晨3时左右，左翼三十八师经船流、朱家棚，右翼一八○师由诸葛城、大小姜村，同时偷渡宽百余米、水深及膝的沂河，悄悄地抢占了东河岸。4时正，五十九军左右两翼分数路向日军右侧背发起了雷霆万钧的攻击。
左翼三十八师，是五十九军的主力，承担着主攻任务。其中李致远的一一三旅主力向汤坊涯、董家官庄的敌人发起进攻，同时以一个营抢占郝沂宅子及茶叶山高地，掩护师的主攻；李金镇的一一二旅为主攻部队，全力攻击日军沙岭子主阵地，并与一八○师取得联系。经过勇猛冲杀，三十八师一举攻占张家庄、解家庄和白塔村。但板垣第五师毕竟不愧为日军精锐，他们反应十分迅速，立即停止了向庞炳勋部的攻击，调集主力部队和几乎全部飞机、坦克向五十九军发动凶猛反击。双方展开大混战。你来我往几个回合，三十八师伤亡惨重，被迫放弃刚刚夺来的阵地，退回沂河西岸。
张自忠十分震怒，当即下达手令，将作战不力的一一二旅旅长李金镇撤职，令新兵团团长李九思升任旅长，并令其准备再次渡河向敌攻击。
右翼一八○师，以张宗衡的独立第二十六旅为主攻部队，其中崔振伦第六七八团主攻停子头、张方海第六七六团对柳杭头之敌实施警戒。独立第三十九旅祁光远部为师预备队。
战斗发起后，六七八团秘密接近停子头，然后从西、北两侧直插村中，与敌展开肉搏战。顿时村中杀声震天，火光四起。我军虽遭很大伤亡，仍高声喊杀，与敌逐房逐院争夺，战况空前惨烈。激战到午后4时，守敌700余人被我消灭过半。残敌无力抵挡我猛烈进攻，只好向停子头以北的郭太平、王太平和徐太平逃窜。六七八团乘胜追击，日军利用民房顽抗，并派200多名日军赶来增援。
张宗衡旅长令六七六团团长张文海率两个营冲杀上来，增强了攻势。15日，一八○师收复了徐太平、王太平和郭太平，并就地构筑了工事，与敌人展开对攻。
张自忠到一八○师督战。
退回河西的三十八师稍事整顿后，14日下午再次渡河向日寇发起攻击。
为增强攻击力量，张自忠还令一八○师六七八团调回沂河西岸，加入反攻行动。
三十八师一一三旅渡河以后，以迅速的攻势，攻克了汤坊涯。一一二旅则对日军坚固阵地沙岭子再度发起强攻。紧靠沂河东岸的沙岭子村很大，房屋分散，日军沿河构筑了许多据点。村的正西方是一片沙滩，一一二旅无法隐蔽接近敌人。但官兵们不顾一切发起冲锋，与守敌展开殊死争夺。从朝至暮，伤亡官兵五六百人，仍未取得进展，配属一一二旅作战的一一三旅二二六团第六连全部战死，村前的沙滩上，尸首堆积成丘，河水变赤。
五十八
由于日军腹背受敌，集中主力对付生力军的五十九军，四十军正面日军兵力大减。庞炳勋抓住时机，以主力向日军侧背发起攻击，居然获得一定战果，14日夜占领独树头、相公庄。15日，一一五旅攻占黄家庄、柳杭头以南一线。第一一七旅进到西沙庄、郑家寨子一线。
15日夜，阵地上沉寂下来，谁也没有料到，这是敌人的阴谋，鬼计多端的板垣此时正在策划一个以攻对攻的行动。调主力4000人，由沙岭子以北三十八师两个旅的结合部偷渡沂河，占领了毛官庄对面的河西渡口。然后在十几架飞机的配合下，突然对五十九军后方的崖头、刘家湖、苗家庄、钓鱼台一线发动猛攻。五十九军后方留守部队寡不敌众，奋力抵抗，但苗家庄、钓鱼台还是被敌人所攻占。张自忠急调三十八师主力撤回沂河西岸打击日军。
尽管五十九军攻击不够顺利，但他们浴血奋战仍予日寇以沉重打击。从缴获的日军信件、日记中得知，经两日夜激战，日军伤亡惨重，搬运伤兵之人车持续不断。
16日晨，渡河西犯的日军，已增至5000余人，并出动飞机20多架，坦克十多辆及步兵炮、野战炮40多门，向刘家湖、茶叶山、船流、郝沂宅子发动大规模进攻。河西我军兵力薄弱，处境十分严峻。
守卫刘家湖的二二六团第十连以寡敌众，拼死奋战，全连殉国。
张自忠根据战局变化，立即将兵力作了调整：以三十八师一个主力团固守茶叶山、郝沂宅子高地，阻击河东进犯之敌，不惜牺牲，坚守茶叶山高地，以为军的后方支持点；驻石家屯的军属骑兵营，协同该地步兵，由新河村进击河东，袭扰敌之后背，牵制日军兵力；三十八师留河东部队全部撤回，以加强茶叶山沿河阵地的防御；军总预备队一一四旅投入刘家湖、茶叶山作战；其余部队均集结于余粮村、小安子以南地区阻止敌人继续西犯。
一八○师攻占的河东村庄全部放弃，将兵力撤回河西。其中独立三十九旅祁光远部，以第七一五团刘照华部占领诸葛城，用火力严密封锁苗家庄的敌人，使其不能再向外扩展；第七一七团艾明纲部守卫诸葛城以东的洪福寺，以火力侧击钓鱼台、苗家庄的敌人，并占领沿河阵地，以防沙岭子之敌再渡河西犯；独立第二十六旅集结于邵双湖以北，随时准备策应三十八师同刘家湖方面之敌作战。
