我軍立即派出一部通過抗日溝壓了上去，用火箭筒、機槍封鎖了歸昌的各個出口。並全力從主反坦克壕為沿歸昌東側向南挖掘反坦克支壕。山路秀男一看形勢不對，若這條反坦克壕與第一道防御地的反坦克壕連接，歸昌西側又是白馬河，歸昌日軍就將處于包圍之中，立即派出戰車出擊，步兵伴隨多路出擊，濱海軍區封鎖部隊全力反擊。日軍的攻勢很猛，各路封鎖部隊犧牲很大。但卻摧毀了日軍十多輛戰車，造成伴隨日軍大量傷亡。日軍意圖干擾我軍修建反坦克壕，被主陣地我軍強力回擊，退回歸昌。我軍又派出一部壓上去，反復三次，終于把日軍壓縮到歸昌不敢露頭。
天暗了下來，山路秀南發現能動的戰車只有三十多輛了，這里面還包含了裝甲車，獨立混成第七旅團還剩下不足3000人，他打消了夜襲的想法。山路秀男陷入了絕望，以這樣的力量沖擊第二道阻擊線成功率幾乎為零，而且後面肯定還有阻擊線。
岡村寧次再次收到戰車第3師團的求援電報，他才意識到問題的嚴重。他命令戰車第3師團、混成第7旅團固守待援。岡村寧次拆東牆補西牆，急調山東第59師團第53旅團、甦北獨立混成第10旅團前往郯城救援，此時豫中日軍已突破黃河，岡村寧次無法豫中抽調兵力。為補日軍防衛空隙，岡村寧次還調集冀東華北自治軍南下。待第53、10旅團到達後再向郯城發動進攻。
夜里李振華收到甦北軍區電報，甦北獨立第10旅團有異動，渤海軍區也發來電報，第53旅團有異動。李振華急調魯中、沂山6個主力團、2個炮兵營通過沂水快速南下郯城，魯中王司令也要求明日到達臨沂參與指揮。李振華與甦北、渤海協調，要求兩地對日軍發起攻擊，遲滯日軍救援。同時命令鐵路游擊隊對津浦、隴海線破襲，鐵路經過的周邊根據地協助執行。臨沂戰役越打越大了，山東軍區目前已動用了16個主力團、5個炮兵營，地方部隊實力遠超主力部隊，總兵力接近十萬人。
深夜，張正坤帶隊的4個團經馬頭、港上、合溝迂回到楊集以南，重新佔領了被日軍攻破的第一道阻擊線。鐵道游擊炸毀了沭水、沂河、薛河上的鐵路橋。
幾乎是在一夜之間，歸昌東面、南面的反坦克壕就修建起來了，歸昌西面白馬河對岸八路軍也依河岸部署了重兵。山路秀男一早在土圍子的角樓上用望遠鏡觀察四周，發現歸昌已經被圍，山東八路還在反坦克壕後不斷構築多道工事，日軍進行2次試探性進攻，徒勞無功，山路秀男決定安心等待援軍的到來。按照行程獨立混成第10旅團1一2天就可以到達，第59師團第43旅團也只要3一4天可以到達。山路秀男對于日軍在歸昌堅守4一5天那還是很有信心的。
陳司令命令第三道阻擊線部隊也壓了上去，同時挖掘壕溝迫近歸昌，逐步向中心壓縮。
王建安抵達了臨沂，向李振華報告了魯中、沂山援軍行程情況，沂山軍區還組織了大批民眾從兵工廠運送彈藥至沂水，再經沂河南下，預計25日夜部隊及補給彈藥可以抵達前線。李振華與王建安、符竹庭商議後決定將總攻歸昌的時間定于26日拂曉。李振華擔心發生變數，甦北、冀魯邊、魯西主動向日軍援軍發起進攻，能拖住日軍多久，他心里沒有底。
李振華找到杜立特，告訴他我軍總攻的時間，並希望得到他的協助，杜立特也答應了26日天亮後會派飛機助戰。杜立特還告訴李振華一個好消息，美軍第40航空隊（陳納德飛虎隊）將調派60架p40到臨沂，交由杜立特指揮。包瑞德對于八路軍能包圍日軍機械化部隊很感興趣，昨天他在空中只看到後半段，他向李振華打听前半段的作戰。李振華也沒有隱瞞，詳細為他介紹了整個過程，並告訴了他此次戰役目的是為了減輕豫中戰役的壓力。李振華著重強調了我軍火箭筒手的英勇，他們通常在近距離襲擊日軍戰車，傷亡特別大，他們以自己的生命為代價，為我軍擊敗日軍戰車部隊奠定了基礎。包瑞德非常贊賞我軍全局觀念，也被我軍火箭筒手的獻身精神觸動了。
25日上半夜，我軍增援部隊抵達，他們顧不上休息，在濱海軍區陳司令的統一部署下進入了陣地，26日拂曉，山東軍區對歸昌日軍發動了總攻。陳司令集中了炮營50多門火箭炮，從東西北三面對歸昌日軍進行了三輪火力急襲，1800多枚火箭彈幾乎將不大的歸昌夷為平地，消耗了山東火箭彈儲備的三分之一。日軍沒有料到我軍有如此火力，火力急襲對日軍產生了重大殺傷，獨立混成第7旅團旅團長稻川直衛當場被炸死，山路秀男也被炸傷。我軍全線出擊，攻破歸昌外圍進入歸昌，日軍也很強悍死戰不退，日軍還利用殘余的戰車組織對我軍反撲。我軍毫不示弱與日軍戰車部隊拼刺刀，近距離用火箭筒摧毀日軍戰車。我軍與日軍攪在了一起，多個地點發生殘酷肉搏戰。
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到了黎明，山路秀男頂不住了，他感覺到歸昌保不住了，進攻郯城的計劃已經不可能實現，固守歸昌意味著全軍覆沒，他下令全軍向南突圍，向獨立混成第10旅團靠擾。其部已抵達新安。
山路秀男領著十余輛戰車，101novel.com00余殘兵敗將突擊南線阻擊陣地，南線阻擊陣地我軍只布置了一個團，這個團沒有正面阻擋，只是側擊。日軍付出500余人的代價沖出了包圍圈，但戰車都截了下來，日軍沒有多余的時間填平壕溝，放棄了戰車，我軍全線南南壓了過去。陳司令不擔心日軍能逃離，他知道在南邊第一道防線李正坤正嚴陣以待。
新安混成第10旅團向張正坤部都發起了進攻，張正坤一面應對南面第10旅團的進攻，一面關注北面的戰況，留出足夠的預備隊應對北面即將潰敗的日軍。張正坤知道只要所部牢牢釘住此地，哪怕是全軍覆沒，一場大捷就能觸手可及，所有的犧牲都值得。
美軍杜立特航空隊也出擊了，機群下方就是?豕突狼奔的日軍殘兵，航空隊降低高度，對日軍殘兵進行了轟炸和掃射，日軍根本不敢集中，北面沖過來的我軍痛打落水狗，日軍還沒有到達第一道阻擊線，很快就我軍淹沒了，山路秀男在混亂中切腹自殺。
美軍航空兵隨即把矛頭轉向進攻第一道阻擊陣地的第10混成旅團，我軍大部隊繼續向南壓迫，張正坤部也加入反攻。獨立第10混成旅團抵擋不住，馬上南撤，試圖在新安建立起防線。我軍一反常態沖進了新安，甦北軍區黃司令帶領部隊也向北發起了進攻，兩部共同在新安消滅了獨立混成第10旅團。攻陷新安後，我軍沿隴海路向東向西兩個方向擴展，又經兩日戰斗，佔領了邳縣，台兒莊，西線直逼嶧縣，一舉控制了隴海鐵路運河至新浦段。
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