军立即得到蒋介石和李宗仁的传令嘉奖。
三月十八日晚，五十九军奉命除留一一四旅归四十军指挥协同守城外，其余开赴费县、沈村一带，威胁敌矶谷师团左侧背，以策应第五战区正面作战。
三日后，震惊中外的台儿庄会战开始了。三月二十三日下午，汤头以北之敌侦知五十九军撤离临沂，在得到板本旅团的增援后，又向临沂反扑过来，企图西进向台儿庄增援。敌有五千余人，配有较上次更多的飞机、大炮、坦克，气焰更为嚣张，守军庞炳勋部在反击中渐次不支，再度呼援。五十九军又奉令星夜回援临沂。
三月二十五日，张自忠率部到达临沂西北地区，立即向敌人的右侧背发动攻势，敌亦全力向我猛扑。我部在毫无凭借的情况下，浴血奋战，前仆后继，损失严重。
二十八日，敌又增加约千余人，炮十数门，附以飞机往复轰炸，使战况更加激烈。
当天，张将军得知战区已派第五十七军缪澂流部的王肇治旅及汤恩伯部的骑兵团准于夜间到达临沂增援，为鼓舞将士斗志，他当即将此消息通知全军，并写给一八零师二十六旅旅长张宗衡一手令，内容是：
（一）援军今夜准到，务望再撑五小时，即有转机。这个时期就是最后五分钟，我弟之苦撑，如所深知，按前几天之战事，与团体有极大之功勋。
这两天之经过，又如此拼命，实在不能不为国家、为团体感佩。望再接再厉，以竞全功。
（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。望率所部支撑眼前这一极短时间。
在张自忠将军训勉砥砺之下，全军坚持苦战，斗志不衰。二十九日，张自忠给战区长官李宗仁去电：“职军两日以来伤亡两千余人，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，援军到达了，张自忠将援军和所部统一作了重新部署，命令全线出击，迅速将敌截为两段，敌终不支，大部向东北溃逃，我部乘胜追击，于三十一日胜利结束战斗。这一战，我部又阻止了敌人向台儿庄、枣庄前线增援，使台儿庄右翼阵地得以巩固，有力地配合了战区大军在台儿庄的正面作战。
因临沂作战有功，张自忠被升任为第二十七军团军团长，仍兼五十九军军长。
五十九军经过临沂战役后，因伤亡奇重，兵员锐减，于一九三八年四月上旬奉令撤出战斗，转至苍山县卞庄以南长城村鹿山东调整待命。鉴于三十八师损失过大，由作战前的一万五千人减至不足三千，张自忠决定将该师三旅缩编为一旅，约千人，归军部直接指挥，其余官兵由黄维纲师长带领到后方补充新兵。第一八零师尚有六千余人，仍维持两旅四团建制。
日寇不甘心台儿庄惨败，自一九三八年四月中旬起，从平、津、晋、绥、苏、皖各战场，增调约三十万军队，并配以各种重武器，分六路对徐州进行大包围。四月十八日到二十二日，鲁南日军相继占领了临沂、郊城，井南进妄图切断陇海路。
这时，未得喘息的五十九军又奉命由驻地北进，截击由郯城南进之敌。
此前，一八零师两位旅长董升堂和张宗衡鉴于五十九军的现状，曾写信给军长张自忠，认为部队不宜再战，建议作充分休整补充。但张将军从整个战局出发，仍勉励部下再接再厉，坚持到底。他在四月二十三日给董、张的亲笔回书中说：来函悉，所见极是。前半月已将我伤亡之众、干部损失殆尽之一切情形，数呈列宪，极峰已允许。因情况关系不允许有此时机。我们也不能不谅。看昨今两日之电报，在最近之将来，就要令我军去整理补充。望两弟再振其精神，领导起来，作最后一撑是盼。
张自忠的勉励，使全军将士仍保持旺盛的斗志。接到新的作战任务后，张自忠即令一八零师火速前进，当先头部队抵至大王庄时，与敌遭遇，开始了激烈的战斗。
因敌后续部队不断增加，我部仓卒应战，大王庄被敌占领。
我部又相继在大王庄以西各村庄及展庄占领阵地，阻止敌人前进。以展庄为焦点的攻守战中，敌我双方反复冲杀于各村内外，敌数次在炮火轰击下，向我猛扑，并一度将展庄东半部占领，但均被我打退。后来，敌将其步兵炮推进到距展庄东北角约数百米，首先将东北角围墙轰倒，又将碉楼上层摧毁，井使千余人在炮火掩护下蜂拥而上。适此，张自忠军长乘马来前方视察，张宗衡旅长将战斗情况向军长报告后，经军长同意由左翼社清岭团抽调一营兵力，轻装猛攻敌之右侧背，同时令旅部特务连经由展庄东凹道接近敌人，以猛烈火力奇袭敌之左侧背。当面之敌，经我三面夹击，死伤遍野，狼狈逃窜。
张自忠对该旅艰苦奋战精神，备极赞许。经五天三夜激战。敌见我顽强抵抗，毫未动摇，最后不得不向郯城退去。这次战斗，伤亡敌不下千人，五十九军胜利完成了牵制敌人南下的任务。
为粉碎日军在徐州包围歼灭我有生力量的企图，五月十四日，第五战区进行战