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2月20日，完成前期作战任务之后的日军在稍作休整之后继续南犯。看就上
板垣征四郎指挥第5师团兵分两路，其一以步兵第21旅团旅团长坂本顺少将统率步兵第21联队、步兵第42联队各2个大队并野炮兵第5联队4个中队、工兵第5联队和轻重兵第5联队各3个中队及师团直属通信队、卫生队各一部计6000余人自高密出击，趋诸城奔莒县，夺取莒县之后向沂河以东地区进军；其二以步兵第9旅团旅团长国崎登少将统率步兵第11联队全部、步兵第41联队1个大队和、野炮兵第5联队2个中队以及军属独立机关枪第6大队、野战重炮兵第2联队3个中队和第5师团直属工兵、轻重兵若干计8000人自潍县出发攻击沂水的第55军余部，并在驱逐曹福林部后沿沂河西岸前进最后与坂本支队会师于临沂城下。
根据上述计划，日军坂本支队于2月25日首先出现在诸城。诸城守军为第55军第102师一个营约300人、周边保安团400余人以及从青岛撤出的胶南民团和部分海军人员，总兵力不过千余人，且军械极度匮乏，重武器唯有一两挺机关枪而已，在大举进犯的日军面前根本没有抵抗能力。战斗打响后，日军以前锋一个大队并火炮数门猛轰诸城城墙，仅仅25分钟后就破城而入，守军稍作抵抗便一哄而散，仅仅一个时后诸城即告沦陷。
3月1日，仅有少量保安团队和地方警察据守的五莲县城也宣告易手，曾任东北军7师6旅旅长、15师中将师长、东北军总司令部中将参议、东北边防军总司令部中将主任参事、义勇军5军团总指挥、察哈尔抗日同盟军骑兵挺进军1军2旅旅长、察哈尔抗日同盟军第2挺进军23师师长的苏鲁战区高参兼第1游击支队支队长刘震东将军在城墙督战时，被日军枪弹击中头部，身亡殉国。
由于担心日军会直扑日照，刚刚有独立骑兵第5旅扩充的崔新五预备第5师不得不以两团兵力急赴五莲山、九仙山一线扼守五（莲日）照公路，与此同时，苏鲁战区急调高桂滋第17军开赴日照西北陈瞳、街头一线预防日军可能的进攻。然而日军却虚幻一枪，按既定之攻击路线，猛攻莒县。莒县地方守备部队问询一哄而散，日军得以兵不血刃开入城中。
而日军国崎支队沿潍沂公路南下，先后攻克乔官、鄌郚、高岩、白塔、蒋峪、大关、马站、高桥，并于3月4日占领沂水县城。仓惶后撤的第102师残部除一部继续在敌后实施游击作战以外，其余的夺路狂奔，最后在冯占海、王峰两部的接应下，于蒙阴一线才得到重新集结整顿的机会。
此时东线两路日军会击临沂的企图已经十分明显了，鉴于临沂的重要性，苏鲁战区急调第1集团军北上增援。3月4日，刘多荃第56军和吴克仁第49军所部开始陆续进抵临沂。由于集团军司令官于学忠尚在归德地区，两军遂组成联合司令部，由第56军军长刘多荃统一指挥临沂战事。
根据联合司令部的命令，第56军第115师常恩多部负责在大枣沟头、姚家庄、刘家官庄、姜家庄、乔家湖、白沙埠一线设防；第129师周福成部在南哨、南庄、南沂庄、东哨、凤仪官庄、柏家庄、石屯庄、李官庄一线构筑工事；第49军第106师霍守义部在沂河以东的三官庙、九曲店、独树头、桃园、甘家屯、相公庄、前河湾一线据守；第110师张文清部第1团及两军直属的补充团、辎重团充当总预备队。
3月6日，日军国崎支队首先在沂南越过汶河，河南张庄陷入敌手，日军遂以张庄为前进基地，一路夺取砖埠、青坨。随后日军又越过蒙河，于当日傍晚5时许与守军第1291团在西官庄一线率先交火。
日军仰仗优势火力，不断炮击西官庄、李官庄等前沿阵地。面对日军的猛烈炮击，守军岿然不动，见天色已晚，日军又不擅长夜战，统率日军前锋的第11联队联队长长野佑一郎大佐遂决定暂停进攻，退往青坨扼守公路以待来日再战。
是夜，第129师特务营等部紧急在公路要点半程设防，并以部不断骚扰日军休整，致使日军主力直至7日下午一时后才重新发动进攻。
此时国崎支队主力已经尽数开到。日军调集重炮轰击第129师各阵地。在日军的150公厘重榴弹炮的轰击下，守军草草构筑的工事多次破损，日军趁机猛攻东北军各处阵地，并于当日夺取大峪、西官庄、仙子峪、李官庄、北张村、下峪子等多处村落。周福成亲自指挥其部第3团并2连师属炮兵发动反击，并一度收复大峪、仙子峪等失陷村落，然而在反攻中日军施以飞机大炮，并继而释放毒气，给出击的第3团造成极大的损伤，该团团长应鸿纶也身负重伤。迫于各部伤亡惨重，第129师被迫放弃北线部分村落，收缩防线，至该日日暮，日军又控制了张家寨里、石屯庄两个村落。
西线的日军捷报频传，东线的坂本支队也不甘示弱，其所属步兵第21联队于3月7日发动进攻，一部率先夺取树沂庄，而工兵第5联队也在野炮兵的协助下夺取葛沟、车庄、塔桥、前湖崖几处村落，步兵第42联队则夺取要点汤头。