就在北沙河和藤县激战方酣的时候，在临城的第二十二集团军总司令孙震终于迎来了期盼中的汤恩伯第二十军团第85军第四师师长陈大庆。
第四师先头部队一个团已经乘火车到达临城，孙震要求他们向台儿庄附近开进，支援滕县保卫战。
此时，见陈大庆来到，孙震一边向陈大庆通报敌情，一边命令全城百姓家家户户做锅盔，给二十军团制作军粮。
第二十军团是**主力，兵种齐全，是李宗仁准备用以消灭南进日军的决定性力量。
根据李宗仁的命令，要二十军团派一个师支援滕县作战，一个师固守临城，其余主力置于临城东面山地，准备包围聚歼由龙阳店南下迂回临城的日军。
陈大庆得知滕县尚在我军手中，而且二十二集团军在滕县城外南沙河尚驻有一个团，在北沙河一线有三个团与敌交战，感觉事有可为，遂率第四师向滕县前进。
上午11点，第四师先头团赶到南沙河的时候，四十一军一二四师三七二旅已经陷入了与日军第63联队的苦战中，防线已被突破，部队随时就会溃败。
三七二旅是黎明时分按照王铭章的命令从滕县撤防南沙河的，说是一个旅，其实就是一个团。部队刚刚构筑好阵地，日军第63联队就赶到了。双方噼里啪啦就打开了。
日军第63联队联队长福荣真平大佐见在南沙河一线遇到中**队阻击，大吃一惊，知道自己的迂回偷袭计划暴露了，慌忙向赖谷启少将报告，并派出骑兵部队四下侦查。这一侦查就发现，驻守南沙河的仍然是川军部队，兵力有限。福荣真平放下心来，一边请求赖谷启呼叫航空兵，一边指挥炮兵、装甲部队实施炮击，掩护部队突击。
福荣真平指挥的63联队，配属有一个骑兵大队、两个装甲中队、一个炮兵大队、一个工兵大队，无论兵力还是火力，都不是三七二旅能够抗衡的。这一开打，短短两个小时，只有简单野战工事的三七二旅就损失惨重，眼见要不撤退的话，部队就要被日军分割包围消灭在南沙河边了。
就在这个时候，85军第四师先头团赶到了。可惜的是，新到的先头团刚一接敌，就被日军击毁了两辆装甲车，在日军飞机的轰炸下，军心浮动，直接就向东南山地撤退了。三七二旅本来就支持不住了，好不容易盼来了援军，没有想到援军刚刚与敌接触，就遭到敌机轰炸和炮火袭击，竟然掉头撤退。这一下，士气泄了，三七二旅残部也就撤出了南沙河一线，向滕县西面转移，并向王铭章报告情况。
王铭章接报大惊，南沙河防线失守，滕县守军就彻底成了孤军，忙向孙震发报，通报南沙河失守，二十军团85军增援部队转向东北山地，请求孙震迅速部署临城防务，并督促85军增援部队掉头西返，侧击向临城攻击的日军。
孙震接报后手脚冰凉，因为此时二十军团85军其它部队还未到达临城，临城只有一个四十一军直属特务营，有三个步兵连一个手枪连，靠这点兵力是万万守不住临城的。
孙震忙本想下令北沙河一线激战的四十五军125师、127师迅速回援临城，命令刚从南沙河撤退的三七二旅迅速北上增援三七0旅，巩固北沙河防线。但一想，北沙河一线正在激战，125师、127师一撤，伤亡惨重的三七0旅、三七二旅根本就挡不住北沙河一线的日军，从界河来的鬼子和从深井来的鬼子就会合围滕县。而且这个时候是大白天，鬼子的飞机如此猖獗，部队在阵地上还好一点，要是贸然撤退，马上就会成为鬼子飞机的靶子，队伍很快就会溃散。没有办法，孙震急忙给85军第四师陈大庆发报，要他立即率部队回防临城。
孙震的顾虑是正确的，此时的北沙河一线，已经打成了一锅粥。按早上王铭章来视察时的计划，是要北沙河一线守军上午打完阻击就撤退到南沙河一线隐蔽待机的。但现在根本就撤不下去，日军第40联队从西边迂回，与从界河赶来的日军配合，已经形成了包围圈，陈离指挥的125师、127师和三七0旅被逼得不断收缩阵地，期望着坚持到天黑再相机突围。
这个时候敌我双方都在和时间赛跑，看谁先赶到临城。在孙震想来，只要第四师能撤回临城，李长官聚歼日军于临城周围的计划就可以实现。可惜的是，由于先头团转向，第四师主力随即转向临城东北山地，孙震的命令也好、请求也好，都实现不了了。
等到下午三点，孙震接到日军骑兵和坦克到达临城周围，不得不下令第二十二集团军总部撤出临城。因为他不能让日军取得俘虏二十二集团军总部那样大的战果。
远在徂徕山的刘一民做梦都想不到，经过他的指点，日军进攻企图已经透明，结果还是落了个临城丢失、王铭章困守滕县孤城的结局。
接到临城失守的报告后，第五战区司令长官李宗仁在地图前默然不语，良久，才发出命令：“一、日军南下临城之部队判明为濑谷支队之63联队，估计该敌攻占临城后会继续攻占枣庄，继而南下攻击徐州，台儿庄就是敌我决战战略要点。因此，战区决心在临城、枣庄与台儿庄之间歼灭该敌，巩固徐州。二、孙桐萱之第三集团军应承担向津浦路北段之济宁、兖州间攻击之任务，并配合第一战区部队承担牵制菏泽之日军第五师团，使其不得东进支援徐州方向作战。三、孙震第二十二集团军务必坚守滕县三天，牵制包