第一次進攻的部隊剛退了回來，炮兵立即對臨沂城頭炮擊，牆上日偽軍死傷一片。退回來的部隊指揮官紅著眼跑到前指，要求再進攻一次。李振華拍了桌子，叫他去看看旁邊野戰醫院的傷員，第一次攻城就造成我軍300多人的死傷，這裡的傷是重傷，估計能救回來也要因傷殘退出部隊。
張正坤、符竹庭命令第二批次的部進入陣地，準備再次發動進攻。
李振華在旁邊道："這樣進攻傷亡太大了，要想想辦法。"
張正坤、符竹庭看向他。
李振華又道："第二次進攻不取消，還是進攻，但變成佯攻。攻城部隊到城牆後立即返回，日軍肯定上城牆，後方炮火急襲，消滅日軍有生力量，多搞幾次，等日偽軍麻痹了，我們來個"真亦假時假亦真，假亦真時真亦假。"說不定能一戰建功。就是失敗了，我們還有後手，工兵已經快掘進到城牆，今晚安放好炸彈，明天拂曉我們可以爆破城牆，發起總攻。"
張、符兩人聽取了李振華的意見。
第二次進攻開始了，一樣程序，首先炮火打擊，日偽軍派了少數人在牆上警戒，大多數待在城牆根下準備，這裡是反斜麵，炮火無法到達。待炮火一停，城上觀察哨發出信號，城下日軍蜂擁上城牆，他們看到城下八路衝向城牆。日偽軍正要射擊，城下八路原路返回。緊接著八路炮聲又響了，日偽軍發覺上當了，炮彈已落在城頭。反複三次日偽軍損失慘重。但日軍也不敢不派人上城牆，萬一哪次變成了真的呢，於是他們強迫偽軍上城牆當炮灰。偽軍也不是傻瓜，當然能感覺日軍拿自身當炮灰，偽軍守城的信念更加動搖了。
天暗了下來，八路軍的政治攻勢又開始了，偽軍家屬來到前沿陣地，在壕溝裡麵向偽軍喊話。還有反正過來的偽軍也來前沿陣地講解我軍優侍俘虜的政策。炮營還不時向城牆發射炮彈，掩護工兵掘進。在強大的攻勢下，偽軍心中開始長草了，特彆是底層偽軍，他們沒作太大的惡，反正之後不會有生命危險。後半夜陸續有偽軍利用繩子掇下城牆跑路了，林林種種方式跑路的偽軍超過了1500餘人。
鈴木俊介發現了不對，立即組織日軍上城巡邏，看到有偽軍逃跑的當場擊斃，決不容情。看到有偽軍帶有繩子的，立即先毒打一頓，把他們綁在城牆上。但就是這樣，還是沒阻止到偽軍的逃離，沒有繩子偽軍就用腰帶或被單結繩逃離。他們也看出來了，就今天八路的炮火，如果真的強攻，臨沂肯定是保不住的。今晚出城還可以是反正，明天說不準就是俘虜了，兩者差距可是千差萬彆。到了淩晨之時，逃出來的偽軍超過2000餘人了。
淩晨5點，前指各位都沒有睡，工兵埋設炸藥已經完成，總攻定在了5：30，部隊已進入攻擊出發陣地。前指收到鐵道遊擊隊的電報，隴海鐵路新安站日軍的援軍到了，人數超過了5000餘人，新四軍總部也轉來了淮北地下黨的情報，隴海線火車上出現了大量的日軍機械化裝備，包括坦克。
李振華、張正坤、符竹庭對攻克臨沂沒有懸念，現在討論的是如何應對日軍援軍。李振華比較擔心日軍機械化部隊，張正坤、符竹庭認為李振華有些擔心過度，山東軍區不是沒有見過日軍坦克，火箭筒完全可以對付。李振華對他們的想法並不覺得奇怪，他們沒有見過坦克大規模作戰，不知道坦克集團衝鋒的恐怖。李振華沒有聽從他們的意見，他決定明天讓山東軍區的5架b24調到臨沂機場，帶上沂蒙機場及魯南機場的所有高射機槍和大量燃燒彈，p40戰鬥機也調到了過來。
淩晨5：30工兵整時對臨沂城牆進行了爆破，西門附近城牆被炸蹋了50多米，城牆碎石在城牆兩邊形成了緩坡，攻城部隊順著這個緩坡衝進了臨沂城，偽軍崩潰了，大多數丟下步槍舉手投降。日軍見勢不妙，緊急往臨沂城內的小圍子撤退。城內的小圍子在山東的縣城裡基本上屬於標配，基本上是縣衙加固改建，有炮樓有暗堡，千餘日軍和千餘死硬偽軍還有些能力固守一陣子。
攻克臨沂城李振華放下心來，日偽軍進了小圍子被攻克是時間問題。隻要能擋住鬼子的援軍，他們就是插翅也難飛。小圍子裡的鈴木俊介向第59師團請求戰術指導，第59師團師團長藤田茂要求鈴木俊介再堅持三天，混成第七旅團已到達新安準備向郯城發起進攻，明日戰車第3師團也將抵達新安。此時。嶧縣、棗莊的日軍援軍在蘭棱的阻擊陣地與魯南軍區部接上火了。混成第7旅團與郯城的阻擊陣地的濱海軍區部隊接上了火。
混成第7旅團等不及戰車第3師團的到來，單獨向北發起了進攻。郯城以南擔任阻擊任務的主力是萬毅東北挺進軍原111師），地方部隊輔助。混成第7旅團的進攻很不順利，本來好好的平原地帶，被挖成了溝壑縱橫，抗日溝挨著抗日溝，溝內四通八達。混成第7旅團用92步兵炮擊作用都不大，隻能一條一條溝的與我軍爭奪。
上午25架p40戰鬥機5架b25來到達臨沂機場，戰士們從b25上卸下了80挺高射機槍及彈藥，還有一批反坦克地雷和爆破筒。隨機而來的還有機槍手80多名，從魯南通過汽車調來80多名機槍手，還用牛車、獨輪車運來了大批凝固汽油彈。李振華組成10個高射機槍連，每個高射機槍連有8挺高射機槍，每挺機槍射手、副射手和彈藥手各一人，並配備輔助人員，一個連共計80餘人。射手和副射手已經夠了，彈藥手和輔助人員從魯南攻城部隊中調集。李振華還調了王吉文第3團、胡奇才第20團協助高射高射機槍部隊連夜南下郯城。從臨沂到郯城有60多公裡，李振華命令部隊在24小時之內必須到達。
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