军部驻朱潘，三十八师师部驻小安子，一八○师师部驻邵双湖，无命令不准后撤。
五十九军调整完毕后，战事重心转到河西，敌我双方在这里展开了战役打响以来最为惨烈的战斗。茶叶山、刘家湖战斗尤为激烈，阵地几次失而复得形成拉锯。钓鱼台、崖头、石家屯、苗家庄也成为争夺之焦点。
一一三旅二二六团在刘家湖村外与敌争夺了一天，黄昏时分，日军突入村内，占领了村东，我军仍据守村西，入夜，张自忠又令二二七团投入战斗，双方往来冲杀，激战通宵，村中积尸数百具，战至天明，仍各占其半。
茶叶山的争夺战更是激烈。固守茶叶山的三十八师二二五团第七连，面对数倍于己的敌人，前扑后继，殊死战斗，直至全部壮烈牺牲。16日上午，茶叶山失守。
日军占领茶叶山后，在山下构筑了防御工事，派一个加强连驻守。茶叶山半山腰有一座小庙，山顶有一个大碉堡，形成易守难攻的防御结构。二二七团于黄昏后向高地发起攻击。团长杨干三命炮兵集中轰击小庙和山顶，先将敌人火力钳制住，同时命令步兵向山脚之日军发起猛攻，攻克第一道防线后，命令炮火集中轰山顶，趁机歼灭半山小庙之敌。二二七团采用这种层层推进法终于将茶叶山夺回。但该团在立足未稳之际，日军突然猛烈反扑，茶叶山得而复失。
张自忠下令暂时放弃该阵地，将二二七团转用于刘家湖方面。
鉴于日军河东部队不断经由大、小苗家庄增援河西，对三十八师威胁很大。张自忠命独立二十六旅将该敌消灭。
张宗衡旅长亲赴诸葛城督战，指挥七一五团（由独立三十九旅配属该旅）向大、小苗家庄进攻。该团分三路向敌迂回接近，16日中午12时发起冲锋，激战20分钟，将日军阵地突破，冲入村内与敌肉搏，一个小时后终于占领大苗家庄，将日军压缩于小苗家庄及沂河岸边。
经过三昼夜的浴血战斗，五十九军伤亡约3500人。鉴于五十九军损失过重，徐祖诒建议张自忠撤出战斗，转往郯城休整。张自忠杀得起性，不肯撤退。此举颇出徐祖诒的意外。因为据他所知，许多将领，尤其是非嫡系部队，稍有伤亡即要求退出战场，或要求增派援军，还未见到令其撤离却反而要求再战者。他为五战区有这样责任心强的将领而高兴，对张自忠的不畏强敌而钦佩。他立即报告李宗仁，李宗仁复电同意张自忠所请。
当天夜里，张自忠召集团以上军官开会，他说：“我军伤亡很大，敌人伤亡也大。敌我双方都在苦撑，战争的胜负，决定于谁能坚持最后五分钟。既然我们已同敌人干上了，而且干到现在这种境地，我们就要用精神和血肉拼命和敌人干到底。争取一个像样的结局！”
大家都支持张自忠的意见，纷纷求战。
张自忠就17日的作战布署下达命令：
一、3月17日，军师所有山炮、野炮、重迫击炮全部推进到两师第一线，带上所有炮弹，听候第一线指挥官命令，在黄昏前，将全部炮弹倾向敌阵；
二、军部仍在原地，由副军长李文田指挥；
三、三十八师黄维纲师长带领预备队，到刘家湖第一线指挥部队，限令黄昏前将所有炮弹发射完毕，然后规定好夜战暗号，命令一线部队一齐出击；
四、一八○师刘振三师长和祁光远旅长亲到诸葛城一线指挥，将所有炮弹发射完后，即令第七一五团向小苗庄之敌攻击；
五、独立二十六旅张宗衡旅长率全旅在刘家湖、苗家庄之间及时策应两师作战。
从这个命令来看，张自忠已下决心全力与敌一决。
16日夜战打响。五十九军趁夜间向盘踞在刘家湖、茶叶山、凤仪官庄、小苗家庄、船流、大太平、沙岭子等十多个村庄的日军展开了猛烈攻击。
三十八师由一一四旅担任主攻，一一二、一一三旅策应。一一四旅由以刘文修之二二八团为主攻，战前，张自忠对董升堂和刘文修说：“我命令你们把茶叶山、刘家湖拿下来，否则军法无情！”
董、刘二人当场立下军令状：“拿不下茶叶山、刘家湖。决不回来见军长！”
夜10时，二二八团向茶叶山发起攻击。第二营营长冉德明率领全营在炮火及轻重机枪掩护下，成纵队向高地突击；第三营营长陆文龙则指挥全营抄击日军左侧背。在战斗最为激烈时，刘团长为鼓舞士气，派人给每人分发100元钞票，官兵们杀红了眼，喊道：“我们命都不要了，拿钱有何用！”纷纷将钞票撕得粉碎，抛向空中。斗志十分壮烈。
激战至17日凌晨，担任二二八团预备队的刘同福第一营及一一二旅之二二三、二二四团也加入战斗，官兵前仆后继，拼死猛攻，日军伤亡惨重不支，残敌被迫向白塔方向逃窜，我军完全控制了茶叶山阵地。16日夜，二二七团对刘家湖发起攻击。团长杨干三先派一个侦察排潜入村内，破坏交通，袭击敌指挥部，当侦察排摸入村内时，日军熟睡正酣毫无所觉，侦察排悄无声息地收拾了游动哨，然后在几个路口设置了障碍。午夜12时，侦察排与村外主力部队里应外合，信号发出同时向敌猛袭，日军梦中惊醒仓皇应战，乱成一团，被我击毙过百，残敌退入村北炮楼负隅顽抗，黄维纲又调二二五团投入战斗。刘文修集中两团兵力向敌人猛扑，将日军压缩到村西北角的一个大院里。到17日夜，敌大部被我手榴弹炸死，小股残敌逃往汤头。日军弃尸400多具。
