第一次进攻的部队刚退了回来，炮兵立即对临沂城头炮击，墙上日伪军死伤一片。退回来的部队指挥官红着眼跑到前指，要求再进攻一次。李振华拍了桌子，叫他去看看旁边野战医院的伤员，第一次攻城就造成我军300多人的死伤，这里的伤是重伤，估计能救回来也要因伤残退出部队。
张正坤、符竹庭命令第二批次的部进入阵地，准备再次发动进攻。
李振华在旁边道：\"这样进攻伤亡太大了，要想想办法。\"
张正坤、符竹庭看向他。
李振华又道：\"第二次进攻不取消，还是进攻，但变成佯攻。攻城部队到城墙后立即返回，日军肯定上城墙，后方炮火急袭，消灭日军有生力量，多搞几次，等日伪军麻痹了，我们来个\"真亦假时假亦真，假亦真时真亦假。\"说不定能一战建功。就是失败了，我们还有后手，工兵已经快掘进到城墙，今晚安放好炸弹，明天拂晓我们可以爆破城墙，发起总攻。\"
张、符两人听取了李振华的意见。
第二次进攻开始了，一样程序，首先炮火打击，日伪军派了少数人在墙上警戒，大多数待在城墙根下准备，这里是反斜面，炮火无法到达。待炮火一停，城上观察哨发出信号，城下日军蜂拥上城墙，他们看到城下八路冲向城墙。日伪军正要射击，城下八路原路返回。紧接着八路炮声又响了，日伪军发觉上当了，炮弹已落在城头。反复三次日伪军损失惨重。但日军也不敢不派人上城墙，万一哪次变成了真的呢，于是他们强迫伪军上城墙当炮灰。伪军也不是傻瓜，当然能感觉日军拿自身当炮灰，伪军守城的信念更加动摇了。
天暗了下来，八路军的政治攻势又开始了，伪军家属来到前沿阵地，在壕沟里面向伪军喊话。还有反正过来的伪军也来前沿阵地讲解我军优侍俘虏的政策。炮营还不时向城墙发射炮弹，掩护工兵掘进。在强大的攻势下，伪军心中开始长草了，特别是底层伪军，他们没作太大的恶，反正之后不会有生命危险。后半夜陆续有伪军利用绳子掇下城墙跑路了，林林种种方式跑路的伪军超过了1500余人。
铃木俊介发现了不对，立即组织日军上城巡逻，看到有伪军逃跑的当场击毙，决不容情。看到有伪军带有绳子的，立即先毒打一顿，把他们绑在城墙上。但就是这样，还是没阻止到伪军的逃离，没有绳子伪军就用腰带或被单结绳逃离。他们也看出来了，就今天八路的炮火，如果真的强攻，临沂肯定是保不住的。今晚出城还可以是反正，明天说不准就是俘虏了，两者差距可是千差万别。到了凌晨之时，逃出来的伪军超过2000余人了。
凌晨5点，前指各位都没有睡，工兵埋设炸药已经完成，总攻定在了5：30，部队已进入攻击出发阵地。前指收到铁道游击队的电报，陇海铁路新安站日军的援军到了，人数超过了5000余人，新四军总部也转来了淮北地下党的情报，陇海线火车上出现了大量的日军机械化装备，包括坦克。
李振华、张正坤、符竹庭对攻克临沂没有悬念，现在讨论的是如何应对日军援军。李振华比较担心日军机械化部队，张正坤、符竹庭认为李振华有些担心过度，山东军区不是没有见过日军坦克，火箭筒完全可以对付。李振华对他们的想法并不觉得奇怪，他们没有见过坦克大规模作战，不知道坦克集团冲锋的恐怖。李振华没有听从他们的意见，他决定明天让山东军区的5架b24调到临沂机场，带上沂蒙机场及鲁南机场的所有高射机枪和大量燃烧弹，p40战斗机也调到了过来。
凌晨5：30工兵整时对临沂城墙进行了爆破，西门附近城墙被炸蹋了50多米，城墙碎石在城墙两边形成了缓坡，攻城部队顺着这个缓坡冲进了临沂城，伪军崩溃了，大多数丢下步枪举手投降。日军见势不妙，紧急往临沂城内的小围子撤退。城内的小围子在山东的县城里基本上属于标配，基本上是县衙加固改建，有炮楼有暗堡，千余日军和千余死硬伪军还有些能力固守一阵子。
攻克临沂城李振华放下心来，日伪军进了小围子被攻克是时间问题。只要能挡住鬼子的援军，他们就是插翅也难飞。小围子里的铃木俊介向第59师团请求战术指导，第59师团师团长藤田茂要求铃木俊介再坚持三天，混成第七旅团已到达新安准备向郯城发起进攻，明日战车第3师团也将抵达新安。此时。峄县、枣庄的日军援军在兰棱的阻击阵地与鲁南军区部接上火了。混成第7旅团与郯城的阻击阵地的滨海军区部队接上了火。
混成第7旅团等不及战车第3师团的到来，单独向北发起了进攻。郯城以南担任阻击任务的主力是万毅东北挺进军（原111师），地方部队辅助。混成第7旅团的进攻很不顺利，本来好好的平原地带，被挖成了沟壑纵横，抗日沟挨着抗日沟，沟内四通八达。混成第7旅团用92步兵炮击作用都不大，只能一条一条沟的与我军争夺。
上午25架p40战斗机5架b25来到达临沂机场，战士们从b25上卸下了80挺高射机枪及弹药，还有一批反坦克地雷和爆破筒。随机而来的还有机枪手80多名，从鲁南通过汽车调来80多名机枪手，还用牛车、独轮车运来了大批凝固汽油弹。李振华组成10个高射机枪连，每个高射机枪连有8挺高射机枪，每挺机枪射手、副射手和弹药手各一人，并配备辅助人员，一个连共计80余人。射手和副射手已经够了，弹药手和辅助人员从鲁南攻城部队中调集。李振华还调了王吉文第3团、胡奇才第20团协助高射高射机枪部队连夜南下郯城。从临沂到郯城有60多公里，李振华命令部队在24小时之内必须到达。