茶叶山、刘家湖歼灭日军1000余人。我军也伤亡1500余人，其中连排长40多人，二二八团三位营长，一死二伤，第二营营长冉德明，原为张自忠卫队连连长，这次在战斗中，英勇顽强，壮烈牺牲。
一八○师了也在16日深夜对敌发起猛攻。攻击小苗家庄的的七一五团刘照华部，以第一、三营担任主攻，第二营为预备队。攻击开始后，在村外遇到日军抵抗，双方展开激战。我军官兵奋勇冲杀，在士气上压倒敌人，敌人退到村中，与我军逐屋争夺，十分惨烈。战到午夜，敌军不支而溃逃，村内遗尸200多具。
与此同时，一八○师还渡河克复了沙岭子、大太平，并乘胜向北追击。17日，敌军集中兵力反扑大太平，经激战肉搏，将敌击退。下午3时日军再次反扑，并曾攻入大太平，被二二八团团附陈芳芝率两个连击退。这时独立三十九旅七一五团乘胜出击，又将大太平北面的几个村子收复。
至此，张、庞两军将进犯临沂的日军第五师三个团击溃，残敌向莒县方向逃窜，一部向汤头溃退。
17日11时，蒋介石从武昌发电李宗仁、张自忠、庞炳勋，嘉勉临沂大捷，电报说：“临沂捷报频传，殊甚嘉慰。仍希督励所部，确切协同、包围敌人于战场附近而歼灭之。如敌脱逸，须跟踪猛追，开作战以来歼敌之新纪录，籍振国军之气势，有厚望焉。”
此后，冯玉祥、李宗仁、白崇禧、宋哲元、鹿钟麟、熊斌、秦德纯、张之江、徐永昌等人纷纷致电张自忠祝贺。
临沂之捷，五十九军将领，深受鼓舞。
张自忠在已取得胜利的基础上，18日下令五十九军第3次东渡沂河，分兵两路向敌发起追击。其中，三十八师以一部占领辇沂庄、车庄一线对北警戒，主力攻击汤头及西北；一八○师以一部攻击汤佛堐，主力攻击汤头镇以南之敌。
与此同时，庞炳勋部向傅家草池、山东庄、贾家官庄一带之敌发起攻击。
到19日，三十八师已攻占了沂河东岸及汤头以北的东庄、前湖堐和袁家庄。一八○师攻占了汤头以南的日军坚固据点李家五湖。战斗中，我先头部队独立第二十六旅六七八团第二营，遭遇日军增援部队猛烈反扑，赵宏远营长，指挥官兵浴血抗击，毫不退让，全部壮烈牺牲。我增援部队赶到，发起猛攻，终将该敌歼灭，克复李家五湖。
同一天，庞炳勋部北进至书家庄一线，并以一部向北迂回贾家官庄日军后方，至此，汤头日军坂本支队已被我军包围，成为瓮中之鳖。这时若在战区能以一部生力军投入，与张、庞两部合力可全歼坂本。但李宗仁错误地令五十九军除一一二旅外，即调费县，准备向泗水、滕县转用，使坂本死里逃生，实在可惜。
到21日，第一次临沂之战结束。
这次临沂之战，张、庞两军共歼敌5000余人，其中五十九军歼敌约4000人。日军第五师第九旅第十一团团长野佑一郎上校、第三营营长牟田中校等数十名军官被五十九军击毙，死伤军官总计多达200余人。其中第十一团第三营被三十八师一一四旅全歼。许多日军尸体来不及运回、烧毁、掩埋。战场上受伤的战马、击毁的坦克、汽车，散落的弹药、衣物、食品、信件及太阳旗、千人缝等物品，到处皆是。从五十九军缴获的战利品中，还发现板垣征四郎本人的呢大衣和印章，可见这位日本“铁军”统帅仓皇逃跑时如漏网鱼，丧家之犬，狼狈不堪。
五十九军虽然获得胜利也付出了惨重的代价，据统计从14日至19日，三十八师共有36名军官阵亡，80人负伤，士兵阵亡680人，负伤1057人；一八○师军官阵亡29人，负伤54人，士兵阵亡341人，负伤1195人，总计全军共伤亡4482人，成建制战死者计有独立二十六旅六七八团第二营、一一三旅二二六团第六连、第十连、一一四旅二二七团第十二连。
临沂之战，斩断了北路日军的左臂，粉碎了敌板垣、矶谷两师会师台儿庄的计划，造成矶谷孤军深入为我围歼的契机，从而为台儿庄大捷拉开了序幕。
临沂大捷，大大鼓舞了全国军民的信心。1938年3月21日《大公报》就临沂大捷发表社评指出：“八一三以来，我们军队得到世界不少的赞扬。”“但在去冬，大家自信心还不够，虽勇敢牺牲，只能拼命，而不容易胜利。这些观念，到现在确实推翻了。这就是临沂胜利的最大收获。”“板垣是日阀少壮派的领袖，是关东军的灵魂，是中国最凶猛的敌人。但此次战争，我们确实把他击破击走，消灭其劲旅几千。”这说明：“我们只要有决心，只要运用得力，尽可能消灭敌军的精锐，换言之，火力纵然悬殊，但依然可以消灭他，可以打胜他……。我们并不铺张这一胜利的效果，但确实相信这次胜利，更增加了全国将士的自信心。有了这次胜利，就可能有无数胜利。”
