趁着前院鬼子注意力被吸引，王栋他们迅速摸进了军火库，将炸药包等易爆物品，悄悄隔离开来，从背后向敌人展开了猛烈打击。没等剩余的几个鬼子引爆炸药，就被全部击毙。
打扫完战场，经过短暂休息，特纵迅速集结，向南面的鬼子主力背后摸去。
经过多日血战，庞炳勋军团，与张自忠部队杀敌将近五千人，重创了第五师团。但是自身也伤亡巨大。
日军久攻临沂不下，只好北撤。没想到，精疲力竭，弹药耗尽的鬼子，在汤头地区遭到了少年军迎头痛击。经过一个多小时激战，剩余鬼子向西北地区退却而逃，铁头指挥骑兵部队，一路追杀，直到蒙阴附近，鬼子主力救援到来，才撤回临沂北部地区。
此役，进攻临沂的鬼子遭到毁灭性打击，一个旅团几乎被消灭大半，少年军俘获的卡车上百辆，山炮三十多门，轻重机枪、步枪等更是遍地皆是。
将数千具鬼子尸体（包括鬼子临沂战役带回来的）焚烧掩埋，打扫完战场，少年军迅速向临沂附近挺进。
傍晚时分，到达临沂近郊。与亲赴临沂前线指挥战斗的战区徐参谋长接洽之后，少年军特纵接替三军团和五十九军防守。厐部和张部进入休整，并于三日后向台儿庄一带转进，抵御枣庄一线南下的第十师团等鬼子部队。
进驻临沂城的第三天，原沙河军区牛满纵队；华梓延第二游击纵队；大本营新组建的巴元堂纵队等，先后到达。王栋命令牛满纵队向东南海洲进发，相机进占海州，马上布局防守，然后致电五战区李长官，希望接防并加强海州防御。
此时五战区正是用兵之时，马上答应了王栋的要求，并通告，换防之后，原驻守海州部队，迅速调往鲁南地区，参与藤县等地防御。