20日，韩庄在遭到日军第9联队第1、第2两个大队的夹击下失守。

与此同时，临沂方向的张、庞两军团也陷入了苦战，关于临沂战场的苦战情况，庞炳勋军团长向第5战区作了如下报告：“敌自攻击以来陆续增加，现至4000余人，炮火昼夜不停，往复突击肉搏多次，我师、旅长躬在阵地督察指挥，战斗之烈空前，毙敌无算，我伤亡甚重，现剩有战斗兵计115旅全旅500－600人；117旅800余人、补充团亦仅700人，其余尚在调查中。本日已将军属特务营、学生队等均加入阵线，现军、师部，即一连之预备队亦无。所有轻重火器被敌炮毁及自行损坏者已逾半数，现正激战中。”

“职军前摧破板埴部队，已苦战月余。今当敌新锐之众，纵伤亡十之七八，然为国家、为主义而奋斗，全体官兵抗战精神始终贯注，死而无怨，益自北伐十余年以来革命素志如愿以偿。惟当此紧要关头，遭此摧残，杀敌有心恨乏实力，揆之现势，临沂城危急万分。”

紧接着，在临沂战场担任作战指导的徐祖贻，此时亦感情况严重，向战区司令部提出了增兵要求，理由是庞军兵力损失过巨，现虽勉守九曲店、小李家庄、石埠岭、黄山之线，但敌如再攻击，河东难支。

此外张军占朱高、古城村、南曲坊之线，昨天以数团兵力渡河占领桃园，今早攻三官庙损失极大遂停进攻。下午独盘头方面反攻桃园极烈，同时营子乾、沂庄、沙埠庄亦发现步炮联合约千名之敌，不得不以一部应付。正面过大已无进攻能力。

还有就是日军兵力似又有增加，实数未详，约不下四五千，兵器及弹药似均充足。现临沂城在敌炮有效射程内，军团部虽拟后移，但恐动摇前方意志及影响于守城部队。张之军部尚在古城，亦受义堂集方面威胁。

因徐祖贻的请求，第5战区于当日决定调驻赣榆的57军111师王肇治之333旅前往增援，并归59军指挥。但此时的临沂战场，情况依然危急。

很快第59军军长张自忠也向第5战区作了报告称， 他们当面的小鬼子正在向古城、南沙埠、小岭北道方向攻击，敌军以千余人，炮十二三门，附以飞机往复轰炸，密集炮火射击，林中房屋多着火焚烧，烟焰迷漫。第59军喋血抗战前仆后继，毙敌甚重遗尸遍野，战事激烈为前所未有，守军血战两昼夜全部壮烈牺牲。

另外第59军还发现日军有步、骑约500余人，经费县东南之探沂庄向西南运动。

与此同时第59军连续在临沂前线作战一个多月，所部伤亡甚众，几乎伤亡过半，急需增援。

而在张自忠发出这份战况报告时，敌第5师团已三面包围了临沂城。即东面之敌正攻击城东南之黄山、城东之石埠岭、九曲店，城东北之三官庙，与第3军团守备在沂河东岸的部队进行激战；在临沂城以北的王家岔河、七得，以及临沂城西北之十里铺、八里屯、小岭，临沂城以西之古城一带，59军亦正在与敌反复冲杀。

为使一线阵地有兵可用，将临沂城交由鲁南保安部队的两个团防守。

现在形式对于第五战区是非常的不利，东面的临沂战场胜利的天平正逐渐倒向小鬼子的第五师团，而在西线，敌第16师团在突破第20军团的防线后一路进展顺利，接连攻占临城、枣庄、峄县、韩庄等地。

随后，负责指挥第5、10、16师团的第2军司令部派遣作战参谋冈本清福大佐前往滕县第16师团指挥部，向师团长中岛今朝吾中将传达了第二军司令部关于夺取枣庄的作战命令。

中岛中将听取了冈本大佐的汇报之后，当即命令所属第9联队驻守临城，并且出动优势兵力向位于侧后方的孙桐萱的第三集团军发动进攻，其余部队则是向枣庄方向发动进攻。

战局急转直下，第5战区李司令长官在临城失守后，决心集中兵力将南下日军为歼于临城以南地区，并将该计划向军委会蒋委员长汇报。

该计划得到批准后，李司令长官命令第20军团集中主力于峄县东侧及枣庄西北方焦山头附近一带山地，于4月24日拂晓全线开始进攻，务先击破峄、枣之敌，向临城、沙沟两地附近侧击……

汤军团在接到命令后，立即要第52、85军秘密潜行至枣庄、峄县以东的向城和抱犊崮山区。其攻击计划是以第52军进攻峄县；以第85军进攻枣庄；以随后赶赴战场的110师接替52军运河防务并暂归第2集团军指挥，留驻毫州的第13军骑兵团与第2师骑兵团由第13军副军长鲍刚中将指挥集结于向城，对临沂方向警戒。

而临时配属20军团的第31师则以91旅进驻台儿庄，93旅前进至台儿庄以北的南洛、北洛地区，并于23日对峄县发动佯攻，吸引峄县日军出动，为20军团主力在24日的进攻创造条件，至此震惊中外的台儿庄战役打响了。