张自忠与徐祖诒、庞炳勋紧急磋商，决定缩短战线，东部防卫依旧由庞炳勋四十军担任，五十九军据守八里屯七沟、小岭、古城、任埠一线。军部移驻白衣庄。
徐祖诒电报李宗仁上述情况，并报称，庞军已基本丧失战斗力，临沂主要靠五十九军支撑，但伤亡极重，且极为疲困，士气受到影响，故请速派援军。
李宗仁即派三十二军一三九师黄光华部、五十七军三三三旅及汤恩伯部骑兵团驰援。
27日，板垣征四郎亲自坐镇，指挥第五师主力向五十九军发动多路进攻，攻击大岭、小岭、北道、南沙埠、古城，为配合这次攻击，还出动了大批飞机、坦克、野炮、山炮。
张自忠东抽西调，分头迎敌。大岭、小岭方面战斗尤为激烈，敌机往复轰炸，并以密集炮火进行轰击，村中房屋着火燃烧，硝烟弥空。日军在炮火掩护下多次发起冲锋，三十八师在此地的一个团和另一个营大部伤亡，阵地岌岌可危。一向沉稳、老练的黄维纲师长，不得不向军部求援。
张自忠命令：“你们要坚决顶住。我们困难，敌人更困难。要坚持最后5分钟！我已命令刘振三师派1个团从诸葛城向敌左侧进攻，支援你师一一二旅方面作战，不久即可到达。”
黄维纲焦急地说：“军长，问题是正面部队有顶不住的样子，眼下实在没人可调了。”
张自忠一瞪眼，发火了：“没有人吗？为什么还有人说话？”
黄师长一听，二话没说，电话一搁，到前线督战去了。
张自忠深知黄维纲的性格，不到万分紧急他不会轻易求援。因此把手头仅有的军部手枪营和六七六团和二营紧急集合起来，由他亲自率队支援。三十八师官兵见军长亲临督战，士气倍增，战线也稳定下来。
张自忠在阵地上通过敌人火力观察，看出日军右翼较弱，他即命令组织小部队向敌人左翼佯攻，以吸引敌人火力。另以一个加强连组成敢死队由小岭村后悄然绕至敌右侧翼，突然发起袭击。敌人猝然受到攻击大惊，敢死队冲入敌群中，大刀狂挥，左砍右劈，猛烈冲杀，上百名日军顷刻成了刀下鬼，其余日军，吓得魂飞魄散。正面守军，乘机出击，日军溃败而逃。
日军在大岭、小岭受挫，又转向前后岗头、古城等地对一八○师发动攻击，两度攻入前后岗头村内，都被一八○师奋力击退。但古城却被敌人占领。
28日，日军又增兵千余，继续猛攻小岭、南沙埠、北道及前后岗头等地。
在师劳兵疲和极度消耗下，装备精良的千余日军生力援兵对五十九军造成极大压力。但庞炳勋此次居然按兵不动以保全实力。五十九军孤军苦战，蒙受巨大伤亡，被迫放弃小岭。
两个星期连续不断的残酷战斗，局势十分严峻，使张自忠和五十九军，经受前所未有的沉重、严峻考验。长时间的鏖战，使官兵们在体力上、精神上都受到极大影响，战斗力明显下降。依靠他们自身的意志力几乎难以支持下去。这对张自忠是一个十分严峻的考验，如果他不能有效地恢复士气，不仅两周来的奋战，上万名弟兄的热血都将付之东流，前功尽弃，使这支部队将彻底垮掉，从此一蹶不振。后果不堪设想。
在如此巨大压力下，张自忠表现了非凡的勇气和坚韧的精神。他马不停蹄地奔波于各个阵地，激励官兵，同官兵们一起战斗。他铿锵有力、充满激情的训话和身先士卒、英勇无畏的英雄气慨，感染了全体官兵，使他们内心的希望之火和胜利信心始终燃烧着。他们苦苦撑持等待援军。
但是，作为援军主力的三十二军一三九师黄光华部，却玩弄保存实力的故伎（注：黄光华在1933年长城战役时就玩弄这一手，致使长城要隘冷口失守，使日军突入长城内，令防守喜峰口一带的宋哲元、张自忠不得不在胜利的情况下饮恨撤兵。此次他又故伎重演，按兵不动，以保存自己实力，殊为可恨。）
援兵不至，使张自忠五十九军咬牙苦撑，殊死奋战，伤亡惨重。
后来黄光华的劣迹被战区发现，明令将其撤职法办，黄某悔恨已晚。但其为抗日造成之损失实无法弥补。其行为实以汉奸卖国贼无异，故依法惩办也是罪有应得，罪不可逭。
援兵盼不到，却盼来了陈调元率领的中央军事委员会劳军团，这对于士气多少有些鼓舞。
在援兵不到的情况下，张自忠只好再次缩短战线，集中兵力扼守临沂城以西以北韦家屯、曹家、七得、十里铺、王庄、前后道沟、岗头一线。
日军第五师自对临沂发起进攻以来，苦战经旬，却被装备低劣的中国军队所阻，不能越雷池一步。此时此刻，日本铁军却显得如此无用，据当时日本杂志透露，板垣征四郎又羞又恼，几欲自杀。
29日，他再命令坂本支队在援军配合下猛攻前后岗头，企图突破临沂西侧防线。
张自忠督率一八○师拼死反击，寸土不让。他在给李宗仁电报中说：“职一息尚存，决与敌奋战到底。”
在援军迟迟不到的情况下，五十九军又孤军奋战了一整天，顶住了日军的猖狂进攻。
在两次临沂大战中五十九军伤亡达一万余人，尤其是第二次临沂战役，从25日到29日，每天伤亡均在千人以上。
