军矶谷师团不待东南两路日军的配合，3月14日由邹县（今邹城）以南的两下店南下，3月15日进攻滕县（今滕州），计划攻陷滕县后南下徐州。守军第22集团军第41军英勇抗击，伤亡甚重，苦战至17日，该军守城的第122师师长王铭章殉国，滕县失守。另一股日军板垣征四郎所领导的第5师团则趁虚从胶东半岛登陆。占领青岛后，又沿胶济线攻打鲁南军事重镇临沂。中国守军庞炳勋所部第四十军与日军展开激战，后张自忠一部、及57军111师333旅增援临沂，与庞炳勋所部前后夹攻，暂时打退进攻临沂的日本军。
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