我军立即派出一部通过抗日沟压了上去，用火箭筒、机枪封锁了归昌的各个出口。并全力从主反坦克壕为起点沿归昌东侧向南挖掘反坦克支壕。山路秀男一看形势不对，若这条反坦克壕与第一道防御地的反坦克壕连接，归昌西侧又是白马河，归昌日军就将处于包围之中，立即派出战车出击，步兵伴随多路出击，滨海军区封锁部队全力反击。日军的攻势很猛，各路封锁部队牺牲很大。但却摧毁了日军十多辆战车，造成伴随日军大量伤亡。日军意图干扰我军修建反坦克壕，被主阵地我军强力回击，退回归昌。我军又派出一部压上去，反复三次，终于把日军压缩到归昌不敢露头。
天暗了下来，山路秀南发现能动的战车只有三十多辆了，这里面还包含了装甲车，独立混成第七旅团还剩下不足3000人，他打消了夜袭的想法。山路秀男陷入了绝望，以这样的力量冲击第二道阻击线成功率几乎为零，而且后面肯定还有阻击线。
冈村宁次再次收到战车第3师团的求援电报，他才意识到问题的严重。他命令战车第3师团、混成第7旅团固守待援。冈村宁次拆东墙补西墙，急调山东第59师团第53旅团、苏北独立混成第10旅团前往郯城救援，此时豫中日军已突破黄河，冈村宁次无法豫中抽调兵力。为补日军防卫空隙，冈村宁次还调集冀东华北自治军南下。待第53、10旅团到达后再向郯城发动进攻。
夜里李振华收到苏北军区电报，苏北独立第10旅团有异动，渤海军区也发来电报，第53旅团有异动。李振华急调鲁中、沂山6个主力团、2个炮兵营通过沂水快速南下郯城，鲁中王司令也要求明日到达临沂参与指挥。李振华与苏北、渤海协调，要求两地对日军发起攻击，迟滞日军救援。同时命令铁路游击队对津浦、陇海线破袭，铁路经过的周边根据地协助执行。临沂战役越打越大了，山东军区目前已动用了16个主力团、5个炮兵营，地方部队实力远超主力部队，总兵力接近十万人。
深夜，张正坤带队的4个团经马头、港上、合沟迂回到杨集以南，重新占领了被日军攻破的第一道阻击线。铁道游击炸毁了沭水、沂河、薛河上的铁路桥。
几乎是在一夜之间，归昌东面、南面的反坦克壕就修建起来了，归昌西面白马河对岸八路军也依河岸部署了重兵。山路秀男一早在土围子的角楼上用望远镜观察四周，发现归昌已经被围，山东八路还在反坦克壕后不断构筑多道工事，日军进行2次试探性进攻，徒劳无功，山路秀男决定安心等待援军的到来。按照行程独立混成第10旅团1一2天就可以到达，第59师团第43旅团也只要3一4天可以到达。山路秀男对于日军在归昌坚守4一5天那还是很有信心的。
陈司令命令第三道阻击线部队也压了上去，同时挖掘壕沟迫近归昌，逐步向中心压缩。
王建安抵达了临沂，向李振华报告了鲁中、沂山援军行程情况，沂山军区还组织了大批民众从兵工厂运送弹药至沂水，再经沂河南下，预计25日夜部队及补给弹药可以抵达前线。李振华与王建安、符竹庭商议后决定将总攻归昌的时间定于26日拂晓。李振华担心发生变数，苏北、冀鲁边、鲁西主动向日军援军发起进攻，能拖住日军多久，他心里没有底。
李振华找到杜立特，告诉他我军总攻的时间，并希望得到他的协助，杜立特也答应了26日天亮后会派飞机助战。杜立特还告诉李振华一个好消息，美军第40航空队（陈纳德飞虎队）将调派60架p40到临沂，交由杜立特指挥。包瑞德对于八路军能包围日军机械化部队很感兴趣，昨天他在空中只看到后半段，他向李振华打听前半段的作战。李振华也没有隐瞒，详细为他介绍了整个过程，并告诉了他此次战役目的是为了减轻豫中战役的压力。李振华着重强调了我军火箭筒手的英勇，他们通常在近距离袭击日军战车，伤亡特别大，他们以自己的生命为代价，为我军击败日军战车部队奠定了基础。包瑞德非常赞赏我军全局观念，也被我军火箭筒手的献身精神触动了。
25日上半夜，我军增援部队抵达，他们顾不上休息，在滨海军区陈司令的统一部署下进入了阵地，26日拂晓，山东军区对归昌日军发动了总攻。陈司令集中了炮营50多门火箭炮，从东西北三面对归昌日军进行了三轮火力急袭，1800多枚火箭弹几乎将不大的归昌夷为平地，消耗了山东火箭弹储备的三分之一。日军没有料到我军有如此火力，火力急袭对日军产生了重大杀伤，独立混成第7旅团旅团长稻川直卫当场被炸死，山路秀男也被炸伤。我军全线出击，攻破归昌外围进入归昌，日军也很强悍死战不退，日军还利用残余的战车组织对我军反扑。我军毫不示弱与日军战车部队拼刺刀，近距离用火箭筒摧毁日军战车。我军与日军搅在了一起，多个地点发生残酷肉搏战。
到了黎明，山路秀男顶不住了，他感觉到归昌保不住了，进攻郯城的计划已经不可能实现，固守归昌意味着全军覆没，他下令全军向南突围，向独立混成第10旅团靠扰。其部已抵达新安。
山路秀男领着十余辆战车，2000余残兵败将突击南线阻击阵地，南线阻击阵地我军只布置了一个团，这个团没有正面阻挡，只是侧击。日军付出500余人的代价冲出了包围圈，但战车都截了下来，日军没有多余的时间填平壕沟，放弃了战车，我军全线南南压了过去。陈司令不担心日军能逃离，他知道在南边第一道防线李正坤正严阵以待。
新安混成第10旅团向张正坤部都发起了进攻，张正坤一面应对南面第10旅团的进攻，一面关注北面的战况，留出足够的预备队应对北面即将溃败的日军。张正坤知道只要所部牢牢钉住此地，哪怕是全军覆没，一场大捷就能触手可及，所有的牺牲都值得。
美军杜立特航空队也出击了，机群下方就是?豕突狼奔的日军残兵，航空队降低高度，对日军残兵进行了轰炸和扫射，日军根本不敢集中，北面冲过来的我军痛打落水狗，日军还没有到达第一道阻击线，很快就我军淹没了，山路秀男在混乱中切腹自杀。
美军航空兵随即把矛头转向进攻第一道阻击阵地的第10混成旅团，我军大部队继续向南压迫，张正坤部也加入反攻。独立第10混成旅团抵挡不住，马上南撤，试图在新安建立起防线。我军一反常态冲进了新安，苏北军区黄司令带领部队也向北发起了进攻，两部共同在新安消灭了独立混成第10旅团。攻陷新安后，我军沿陇海路向东向西两个方向扩展，又经两日战斗，占领了邳县，台儿庄，西线直逼峄县，一举控制了陇海铁路运河至新浦段。