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4月中旬，华北日军得到国内的兵员、物资的补给之后，实力迅速提升。月20日，山东日军第二军参谋长铃木率道少将下达正式命令，实施第二次鲁南会战。根据这道命令，日军将以第16师团替代第109师团实施沿津埔路南下作战计划，以第5师团继续执行夺取临沂并南下协助第16师团攻占临枣地区切断陇海路，又以第109师团除以一部支援第16师团的行动以外，其余部队向京杭运河以西的鲁西地区攻击前进。
4月21日，第109师团步兵第118旅团旅团长本川省三少将率步兵第119联队第1、第2大队、步兵第136联队第1、第3大队、步兵第69联队第2大队、步兵第107联队第3大队及骑兵第109大队、山炮兵第109联队5个中队、工兵第109联队第2大队、轻重兵第109联队第1大队在内的万余日军自济宁以北汶上以南分路越过运河，一举突破邓锡侯第9集团军下属黄锡煊预备第2师的防御阵地，并攻占嘉祥。
同日，日军第5师团也重新自莒县、沂水攻向临沂。
日军卷土重来顿时牵动了苏徐鲁战区和冀鲁豫战区的神经。4月21日夜，冀鲁豫战区下达作战任务，命令张自忠第12集团军立刻加入鲁西地区战斗支援龚渭清新6军，并将日军抵挡在巨野、金乡以西地区。22日凌晨，张学良也作出反应，苏徐鲁战区命令日照方面的守军即原隶属于万福麟第3集团军曹福林第55军的崔新五预备第5师和高桂滋第17军两部及在蒙阴一线的王峰骑兵第4师和冯占海第103师就近加入于学忠第1集团军，由于学忠统一指挥在临沂方向的作战任务。
日军在两翼的行动也让滕县的守军第53军提高了警惕。果不其然，4月22日上午6时，日军第16师团在数十架战机、数十门大炮的掩护下，以20余辆战车、装甲车为先导兵分三路杀向滕县。杨政治第53军虽凭借工事顽强抵抗，然而最终抵御不了日军的进攻，此后两日内各处阵地相继失守，日军遂得以突破界河、陈兵北沙河一线。
为了挽救滕县方面的沮势，万福麟急令牛元峰第69军自临城出援，同时命令曹福林第102师自新泰一线向敌人骚扰进击。然而第102师奉命泗水、曲阜一线的行动却遭到第109师团步兵第69联队第1大队的反击，结果曹部非但没有按照既定计划夺取日军后方城镇，反而因此再次失去了对新泰地区的控制。
4月24日下午2时，奉命增援的牛元峰部朱鸿勋第123师刚刚抵达滕县外围，突然遭到自辛庄、马厂一线迂回的千余日军的攻击。正在行军途中的该部顿时大乱，刚刚增补的新兵当即在日军的进攻下溃散，幸而沈克所部第127师也乘火车赶到，在该部的收容和支援之下，朱师才得以大部保存，但师属火炮和一部机关枪则尽数为日军掳走或破坏。
形势已经极端不利了，鉴于日军已经初步实现了对滕县的三面包围，为了确保第3集团军的有生力量，为了保证接下来的战斗所需，第53军遂奉命以一个团坚守滕县牵制日军主力，其余南撤临（城）、夏（镇）。
25日，南犯日军除留下步兵第38联队第1个大队及一部工兵、炮兵约千余人续攻滕县以外，其余继续南进。下午3时，日军摄取官桥，5时逼近临城。6时，坚守了18个时的滕县失守，守军第1142团团长苏惠元以下1700余官兵悉数以身殉国。
鉴于当前的严重局势，万福麟再度不战而退。是日夜，第69军奉命撤往韩庄，凭借运河以南山地地形构筑工事，预防日军直趋徐州，第53军则撤往枣西龟山、抱犊崮威胁日军侧后。然而万福麟的命令并未通报苏徐鲁战区，结果撤军令下达2个时之后，张学良和参谋长周光有才获悉前方军情，大吃一惊的张学良急令各部撤回原防，然而此刻部队建制已经混乱，各部争相后撤，且电讯混乱，结果自是未能阻止第3集团军的行动，日军遂兵不血刃的夺取了临枣地区。
临枣的失陷，让徐州的门户洞开，自峄县以南，除少数河流以外，具是一马平川之地，在这种地形上，守军自然无法抵御日军的机械化部队。不仅如此，日军还可以选择向西北迂回，合同第5师团一举歼灭第1集团军的主力部队。
局势已经十万火急了，张学良不得不痛苦的做出决定，放弃临沂，将第1集团军各部次第后撤。然而要确保临沂一线能安然撤退，就必须首先在峄县和枣庄以西挡住日军的兵锋，为此，张学良越过万福麟明令杨政治，务必坚守峄县和枣西税郭、峨山。
除了安排第53军坚守一线以外，张学良还调动刘茂恩第15军和第1集团军所属缪澄流第51军两部在台儿庄、燕子埠地区紧急布防，同时与同在徐州城内的豫皖战区司令官杨虎城协商，调动王以哲第2集团军回援徐州地区。