一、临沂苦战重创板垣

淮北战役后，五十九军奉令向鲁南徐州一带集结。3月初，五十九军以主力攻济宁、兖州之间的日军，正在行动中，忽又奉令驰援临沂第四十军。临沂距台儿庄90公里，为徐州东北之屏障，是鲁南军事上必争之地。

日军板垣师团由莒县南下进逼临沂，企图围歼临沂守军庞炳勋部，与津浦线上的矶谷师团相呼应，企图向台儿庄挺进，进逼徐州。张自忠率领五十九军立即乘火车南下峄县，然后以一昼夜180里的急行军，于3月12日到达临沂城西郊。经与第四十军会商，决定实施张自忠提出的以攻为守的作战计划：五十九军攻击攻城敌军的侧背，以减轻守城部队的压力，并且可以断敌归路，阻挡敌人援军。

张自忠立即召集营以上军官部署战斗，他指出：“我军在喜峰口、北平、天津、淮北等地，已先后和日军交战多次，只要我们能充分发扬我军善于近战、夜战的长处，根据现有条件，集中使用轻重武器，就一定能够打败这个骄横不可一世的板垣，为中华民族争光，以尽到我们军人保国卫民的天职。即使战死疆场，也是虽死犹荣。”

3月14日凌晨，战斗打响了。五十九军虽经长途行军，仍以迅雷不及掩耳之势强渡沂河，插入板垣师团的右侧背。在亭子头、大太平、申家太平、徐家太平、沙子岭等处突破日军阵地，使敌人措手不及。经激烈战斗，歼敌千余人，迫使敌人放弃攻城，转向五十九军作战。四十军因得到增援军心大振，也趁机反攻，插入敌人左侧背，使日军腹背均遭袭击。敌我双方在临沂城外、沂河两岸连续肉搏，反复冲杀，形成逐屋逐村的拉锯战。16日，板垣师团曾增兵2000人，也都被打退。前后3天激战中击毙日军4000多人。五十九军伤亡人数也在6000人以上。全军第一线作战部队中，营长伤亡三分之一，连排长则全部易人。

16日，战区参谋长徐祖贻见五十九军伤亡惨重，欲令其向郊城后撤。张自忠要求再打一昼夜。他下令营团长全到第一线指挥，师旅长到团指挥所，军长也亲临两师前线。黄昏时先以密集炮火向敌轰击，嗣后所有指战员都投入战斗，猛攻日军盘踞的十余个村庄，一时喊声震天。激战到17日凌晨2时，号称铁军的板垣师团被打得一败涂地，遗尸千余具，向临沂以北50里的汤头溃逃。张部乘胜追击到董官屯一带布防，与汤头的日军形成对峙状态。

3月18日晚，张自忠奉令率部开赴费县，威胁日军矶谷师团左侧背，以策应第五战区正面作战。不久，台儿庄会战开始了。3月23日，日军板垣师团会同板本旅团乘机又向临沂进攻，企图西进向台儿庄增援。五十九军奉令星夜回援临沂。3月25日，张自忠率部在临沂西北地区，向日军的侧背发起进攻，并派一团两营增援庞部确保临沂。日军装备优良，用全力反扑。五十九军在毫无凭借的情况下，浴血奋战，前仆后继，死伤很重。

28日，日军又增加千余人，炮十数门，使战况更加激烈。为鼓舞将士斗志，张自忠将援军即到的消息通知全军，他在手令中写道；“(一)援军今夜准到，务请再撑5小时，即有转机，……以竟全功。(二)战斗已到最后关头，看谁能忍最后一分钟，谁就能成功。(三)我困难，敌之困难更大；我苦战，敌之苦必数倍于我。望率所不支撑眼前这一极短时间。在张自忠训勉砒砺之下，全军坚持苦战。29日，张自忠给战区长官李宗仁去电：“职军两日以来伤亡2000余人，连前此伤亡达万余人。职一息尚存，决与敌奋战到底。”

正在形势险峻之时，援军到达，张自忠下令全线猛烈出击，迅速将敌军截为两段，日军终于不支，向东北溃退。临沂之战歼灭日军板垣师团及板本旅团过半，阻止日军不能向台儿庄、枣庄前线增援，彻底粉碎了板垣、矶谷两师团拟在台儿庄会师的计划，并使台儿庄右翼阵地得以巩固，为台儿庄大捷，奠定了有利基础。

临沂两次大捷是五十九军全军将士奋勇杀敌、浴血奋战的结果。也是张自忠指挥若定，全力以赴坚持苦战的结果。

张自忠、庞炳勋原来都是冯玉祥的部将，彼此亲如兄弟。中原大战时，庞受蒋介石收关倒戈反冯，曾出其不意袭击张自忠师部。张自忠认为庞不仁不义，曾表示以后决不与庞在同一战场作战。但此次第四十军庞炳勋部被围，临沂告急，张自忠不挟前嫌，以大局为重，他毫不迟疑地表示绝对服从命令。不仅率部星夜增援，并全力以赴，苦战到底。

临沂大捷后，国民政府军事委员会特发布命令，撤销对张自忠的“撤职查办”处分。不久又擢升张自忠为第二十七军团司令官兼五十九军军长。

二、狙击日军掩护突围

1938年4月上旬，五十九军奉令撤出战斗，转至卞庄(今苍山县)以南地区调整待命。

从4月中旬起，日寇从平、津、晋、绥、苏、皖各战场增调约30万军队，分6路对徐州进行大包围。鲁南日军相继占领了临沂、邦城，并南进企图切断陇海路。五十九军奉命由驻地北进，阻击由郯城南下的日军。这时未得喘息的五十九军，两个师不足9000人，本不宜再战。但是，张自忠从整个战局出发，仍勉励部下，再接再厉，坚持到底。他在给部属的手令中说：“应积极进击……万不可敷衍了事，以遗人以口实，无论如何作法：须求迅速之进展，以援友军之危，定为至要。”

五十九军一八O师火速前进，先头部队在大王庄与日军遭遇，在仓卒应战的情况下，大王庄被敌人占领，攻守战又在以展庄为焦点的各村庄展开。日军把大炮、烧夷弹全用上了。五十九军用步机枪、手榴弹歼灭数次冲入防线的敌人。展庄东半部一度被日军占领，围墙轰倒、碉楼摧毁，日军千余人在炮火掩护下蜂拥而上。五十九军仍坚持苦战，反复冲杀，激战达五天二夜。张自忠抽调兵力猛攻敌人右侧背、左侧背，经三面夹击，终于使日军死伤遍野，狼狈逃窜，向郯城退去。五十九军胜利完成牵制敌人南下的任务。这次战斗，伤亡日军不下千人，缴获步枪300余支、轻机枪10余挺、烧夷弹炮4门、战刀10余把。

5月中旬，在日军分路向徐州进行大包围的情势下，五战区奉令战略转移，五十九军担任掩护。当时五十九军全军官兵虽不到9000人，其中战斗员仅6000人左右。但是在张自忠的督帅下，部队整肃，士气旺盛。退却掩护中，在萧县东南地区和日军激战两昼夜。张自忠调动兵力从三面围攻夹击萧县之敌。当日军配有坦克车多辆进行反击时，张自忠亲率手枪营在东北方公路上占领阵地，用集束手榴弹将坦克阻止在不满200尺的地方不能前进。掩护战区大军安全通过。

五十九军撤至萧县西南之滩溪时，又与由蚌埠方面前来截击的日军遭遇，军、师部人员都投入战斗，军、师长亲临第一线指挥。苦战竟日，在战区部队安全通过后，五十九军才节节撤退。五十九军到达永城东南青龙桥时，又遇到日军的阻击，日军轰炸又扫射，激战5小时。天黑后，五十九军向西突围，安全到达毫州地区。后继经鹿邑、淮阳以北，于6月初到达许昌附近集结整训。徐州突围成功。使日军企图歼灭中国军队主力的打算全部落空。张自忠指挥所部掩护突围有功，受到国民政府嘉奖。

张自忠部军纪严明。战时对失守阵地的部下，张自忠亲笔书写“患难多年，军法无亲”相赠；对具有艰苦奋战精神的部下，则倍加赞许。平时不准骚扰百姓。在撤军途中，一日天下小雨，张自忠看见一士兵戴着老百姓的草帽，他面带怒容，责问部下：你戴的是木头眼镜吗？没见你的士兵拿老百姓的草帽吗？在整个突围过程中，张自忠亲自断后，且战且走，沿途收容伤兵，载以车马，自己却常徒步而行，以至足踱血流，广大官兵极为感佩。

五十九军转移到河南信阳一带进行整补，很快又恢复到3万人左右。并加紧进行训练。

三、遏敌潢川西进突围

1938年9月初，日军分5路进攻武汉。五十九军奉令赴河南潢川一带，阻击由六安西进之日军5至7天，以掩护信阳一带中国军队向武汉外围集结。张自忠率部先遏敌于春河集以东地区，后又沿演河东岸占领阵地、构筑工事，进出于仁和集、桃林、春河集一带阻击敌人前进。日军经多次进攻并施放毒气，都未得逞，敌广播报道：“我军在演川方面遭到坚强的抵抗，致蒙受巨大之损失。”

经11昼夜激战，9月中旬，五十九军极大地牵制和消耗了敌军，完成了阻击任务，奉令撤防到大别山新县和浒湾一带。9月底日军已占领武胜关、安陆、巡检司以南地区。10月下旬，武汉弃守，五十九军奉令由宣化店西进突围。途中，日军封锁严密。张自忠率领部队秩序井然地向西转移，在湖北安陆、巡检司一带以夜行军突出重围，于11月中旬在京山、钟祥、襄河东岸构筑阵地，严阵待敌。

潢川战役后，张自忠升任第三十三集团军总司令，除五十九军外，且统领七十七军、五十五军。抵达鄂西后又兼第五战区右翼兵团总司令，除第三十三集团军外，第五战区右翼各军均归他指挥。