临沂保卫战是台儿庄大战的序幕战。日军在1937年12月南占南京、北占济南之后，妄图使南北兵力在徐州会合，尔后沿陇海铁路西进，直扑平汉铁路，消灭郑州、武汉间中国军队，一举攻占武汉，迫使中国政府屈服。
1938年2月，日本最精锐的部队之一坂垣第五师团主力坂本支队及伪军刘桂堂部约两万人，自胶济线南犯诸城、沂水、莒县，直扑临沂。临沂系鲁南重镇，是各公路的交叉点。临沂的战略位置关系到陇海、津浦两路的安危，也是徐州的一个重要屏障。日军以坂垣师团猛攻临沂，正是为了策应日军矶谷师团进攻台儿庄。
第五战区司令长官李宗仁调驻扎在海州的第三军团庞炳勋部，抵达临沂阻击日军。庞炳勋部奉调抵达临沂后，派人勘察地形，召开营长以上军官会议，研究敌情及攻守方略，抓紧时间构筑主阵地。3月3日，日军在大炮、战车的掩护下，向庞炳勋阵地发动进攻。中国守军奋力抵抗，一上午击溃日军四次冲锋，击毙日军七八百人，歼灭伪军刘桂棠大部。3月11日，日军飞机轮番对中国军队阵地进行轰炸，排炮昼夜不停地轰击，中国阵地工事大部分被摧毁，守军也有不少伤亡。3月14日凌晨3时，张自忠部从左翼强渡沂河，占领部分东岸，突然对敌人发动攻击。日军措手不及，仓促应战，结果被张自忠部打得丢盔卸甲，大败而逃，死伤2000余人。日军也迭次增加兵力，战斗十分惨烈，茶叶山几易其主。茶叶山血战，经过八天的争夺，终于将日军击溃。
这次战斗中，第五十九军以沉重的代价，击毙日军第十一联队长野裕一郎大佐、牟田九次郎中佐及以下数千人。据日军俘虏利陆夫供称：“自作战以来，全师团伤5000余人，亡3000余人……本大队伤亡已尽，弹药经常接济不上。”
3月18日，临沂保卫战告一段落，庞炳勋、张自忠两部协同作战，保住了临沂城。
