1937 年11月，张自忠回到原部队，此时部队已编为第59军，张自忠任军长。返部队当天，他对部众痛哭誓言:“今日回军，除共同杀敌报国外，是和大家一同寻找死 的地方”。
1938年初，号称日寇“铁军”的板垣师团在山东半岛登陆，一路西进，3月上旬进至鲁南军事要地临沂城下，以优势兵力围攻守军庞炳勋的第40军 的5个团，庞部与敌血战数日，渐感不支。第五战区司令长官李宗仁急调第59军增援临沂。
张自忠得令后即率部星夜兼程，日行180里赶到临沂北郊，随即兵分 三路从北面对围城之敌发起猛烈进攻，临沂守军也开城出击。凶顽的的板垣师团在两面夹攻下仓惶后撤。张自忠率部急追，在沙子岭再创板垣师团，取得抗战史上有 名的“临沂大捷”。
经此一役，张自忠声誉雀起，被提升为第27军团军团长。是年10月升任33集团军总司令兼第59军军长。不久，张自忠又兼任第五战区右 翼兵团司令。
张自忠烈士
1939 年5月，日寇10万之众兵分两路大举进犯鄂北的随县、枣阳地区。张自忠一面命正面部队死守，一面火速派2个师迂回到敌后方，两面夹击包抄日军。他还亲自率 2个团渡过襄河向敌猛攻，粉碎了日军围歼第33集团军的企图。随后第五战区左右兵团全线反攻，一举收复枣阳、桐柏等地区。史称“鄂北大捷”。
