正當龐炳勳部與日軍在臨沂外圍激烈爭奪，面臨滅頂之災的危急關頭，李宗仁就已電令張自忠的第59軍“即日由滕縣輸送到嶧縣轉赴臨沂，接龐（炳勳）任務，擊破莒、沂方面之敵，恢復莒、沂兩縣而扼守之”。此時，第59軍正向臨沂轉進中。李宗仁為了使龐炳勳軍與張自忠軍能更好地協同作戰，特派戰區參謀長徐祖詒代表戰區司令長官去臨沂指導作戰。並致電龐炳勳，大意為：臨沂為臺兒莊及徐州屏障，必須堅決保衛，拒敵前進。除已令張自忠部來增援外，並派本部參謀長前往就近指揮。

龐炳勳接電後大喜。重新調整部署，縮短了戰線，以第115旅防守桃園至蔣家莊之線，以第116旅防守蔣家莊至黃山之線，以第229團、補充團及軍、師直屬隊為總預備隊，控制於臨沂城關地區，以第39師師長馬法五為前線總指揮。

3月11日，徐祖詒和張自忠率第59軍從嶧縣以一晝夜180裡的速度急行軍，於12日到達臨沂城西地區。3月12日下午，第59軍主力全部抵達臨沂西郊，並集結完畢。從嶧縣至臨沂，相距90公里，第59軍只用了一晝夜。正在與日軍激戰的龐炳勳的第3軍團官兵，忽聞張自忠大部隊趕到，陣地上頓時歡聲雷動，軍心大振。

其實，龐炳勳自得知戰區將派張自忠應援臨沂後，心中一直擔心他是否願意前來增援。

一幕幕不愉快的往事浮現在眼前

那是1930年5月，蔣介石同馮玉祥、閻錫山之間的中原大戰正打得昏天黑地。當時，擔任反蔣軍第2路總指揮的龐炳勳，正率部與蔣軍激戰。

突然得知一直坐山觀虎鬥的張學良率軍出關了，發來電文擁護蔣介石討伐馮玉祥，而且已經佔領平、津。龐炳勳聞之，深感意外。反蔣軍的敗局已無可挽回了，龐炳勳不得不撤出戰鬥。

後來，蔣介石的特使來與龐炳勳密談。用金錢地位策反龐炳勳倒戈，在利誘面前龐炳勳最終動搖了。而他反戈一擊的第一個目標，便是陣容整齊、訓練有素的友軍——第6師張自忠部。

深夜，龐炳勳的一個精銳團，悄悄地圍住了第6師師部。此刻，師部會議室燈光通明，毫無防備的張自忠正在召開著團以上幹部的作戰會議。

龐炳勳部將張自忠的高階幹部團團包圍了。最後，張自忠總算殺出一條血路而逃。

張自忠從此發誓，“此仇不報，我張自忠誓不為人！”

此刻，龐炳勳想起這段往事，悔恨當初鬼迷心竅，反戈相向，同室操戈，現在想想真對不起張自忠。如今張自忠來了，不要說他老弟會報一箭之仇，就是按兵不動，自己今天也死無葬身之地了。

正在沉思中的龐炳勳，當他遠遠看到身軀高大的張自忠走向自己的指揮所，心中高懸了幾天的石頭終於落了地。他又吃驚又感動，急忙迎上前去，久久握住張自忠的手。倆人相視，默然良久，數年積怨，頃刻冰釋。

張自忠大度地說：“大哥你放心，我決心盡力幫你打贏這一仗！”

龐炳勳神情為之一振，隨即風趣地說：“老弟呀，人家說你要在北平當漢奸，我才不相信呢。我瞭解你的為人，所以我大為放心。”

張自忠開懷大笑：“今天倒是要他們看看，我張自忠是不是漢奸？！”

當日召開聯席作戰會議，商討作戰計劃。龐炳勳要求張自忠接替城防，但張自忠主張與其坐待敵攻，不如主動出擊，以攻為守，並表示願意承擔主攻。他對龐炳勳說：“在敵攻勢之下，貴軍可以徐徐後撤，誘敵深入，把敵人的右側翼暴露在中國軍隊的正面，這樣有利於中國軍隊的攻擊。”徐參謀長深以為是，並與張自忠商定14日拂曉發起攻擊。統一認識後，由徐祖詒以第5戰區司令長官的名義於13日下達了作戰命令。主要內容為：

（1）59軍以一部確佔石家屯一帶高地，向葛溝、白塔間分途側擊，牽制敵人之增援；主力由船流至大、小姜莊間渡河，向南旋迴，與40軍呼應，包圍殲滅敵之主力於相公莊、東莊屯、亭子頭以南地區。在高裡附近之陸戰隊暫歸指揮。

（2）40軍以主力由沂河東岸與59軍呼應，包圍敵之主力殲滅之；在沂河西岸之一部，渡河側擊尤家莊附近之敵。

（3）兩軍作戰地境（略）。

（4）以上各部著於13日晚準備完，14日拂曉開始攻擊。

第59軍以第38師附野炮第1營為左翼，於13日16時出發，先以1個營佔領茶葉山，掩護師主力在石家屯、劉家湖、釣魚臺地區向東展開；