杜立特轰炸日本本土后，机群返回中国。中途有20架b24留在了山东军区机场，其中有6架被击伤。还有3架b29受损在沂蒙机场迫降，好在机组人员安然无恙，这3架飞机不是给山东军区的，b29是美军最新型的轰炸机，美国人不可能那么大方，后续美军会派人来维修。
李振华一直在关注日军的反应，日军部队暂时没有大规模的调动，但他也不敢掉以轻心。果然日军不死心，轰炸后的第10天有3架日军飞机闯入根据地，被防空哨发现，临沂机场起飞p40战斗机拦截，3架日机匆匆在临沂机场周边扔下炸弹，转头向北逃窜。p40战机追了上去，击落其中的2架，1架日机侥幸逃脱。
日机扔下的炸弹并未爆炸，让李振华的心提了起来。他立即命令组建搜索队搜寻，叮嘱搜索人员找到目标不要轻易接触，并派医护人员跟随，还带上了照相机。搜索队派出去不多久，沂山军区发来了电报，坠毁的飞机里日军穿着防护服。电报证实了李振华的猜想，日军兵力不足转而采用了细菌武器攻击的方式，阻止美军航空队利用临沂机场。李振华要求沂山军区严密搜查坠毁飞机，并拍照留下证据。
炸弹也找到了，是陶瓷质地的，弹体已四分五裂，周边还有碎棉絮、碎布、麦粒、谷糠。李振华命令搜索队把现场的情形全部用相机拍摄下来，专人收集了破碎的弹体。山东军区把发现陶瓷炸弹、碎棉絮、碎布、麦粒、谷糠的地方设为禁区，搜索队全部就地隔离在禁区。李振华让禁区内的搜索部队便用柴草、汽油焚烧这些污染区域，又用石灰水大范围消毒。李振华向山东军区作了详细汇报，山东军区紧急调派药品和医护人员前来防疫。由于处置及时、得当，疫情没有大规模扩散。疫情被限制在了临沂机场周边范围，只有机场工作及防卫人员、中美飞行员、搜索队成员和周边居民受到了疫情波及，这里面多年培养的赤脚医生这个群体在疫情防控中立下了大功，虽然他们没有太高深的医术，但他们有现代医学常识。由于他们的严密盯防，疫情很快被扑灭了。疫情总共只造成了30多人的伤亡，其中有3名美军机组人员死亡，算是不幸中的万幸。山东军区把这次防疫事件当成典型来推广，让山东根据地广大军民提高警惕，并树立科学的防疫观念。
整个事件山东军区都做完整的记录，用照片记录下证据，每个受害者都有完整的病历，在沂山坠毁的飞机上还缴获了部分文件，形成日军使用细菌武器的证据链。李振华找人写了份完整的报告，在\"新华日报\"上发表，并邀请国内外记者来根据地采访报道。文章中提出了留取证据，以待抗战胜利后指证事件策划者、实施者为战犯，并向日本政府索赔的概念。
新华社的报道引起了欧美记者爱泼斯坦、白修德、福尔曼、斯坦因，国内记者张郁廉?、赵家欣、郭留昌等人的注意，他们通过不同的途径来到山东军区，用他们的笔详细记录事件的整个过程。国内外报纸上报道了这一事件，在国内外引起了非常大的反响。他们还深入山东根据地，记录了根据地生活、战斗的点点滴滴，成为了让外界了解中共根据地实际状况的一个窗口，提升我党在国内外的声望。
北平日军华北派溃军司令部，冈村宁次一脸苦涩。他已得到通知，大本营要求山西大同第26师团立即启程到天津，从天津港乘船前往菲律宾。这是命令，没有任何商量的余地。本来他还想抽调第26师团前往山东，配合从武汉调回的第37师稳定山东的局势，然而大本营的一纸命令，让他计划的一切都泡汤了。因为华北兵力不足，不仅是山东，整个华北平原（包括冀东），中共力量活跃了起来，治安肃正运动蚕食的八路军根据地不断丧失。因为从华中抽调第37师团回华北，第11军司令官横山勇非常不满意。
横山勇的不满也有道理，历次长沙会战日军都动员10一12万人，应对第9战区兵力明显不够，要不能也不会三次长沙会战均遭失败。横山勇想一雪前耻，兵力就一定要得到加强。1号作战斗计划中进行长衡会战将调用20余万日军，参战部队包括第3、第13、第27、第34、第37、第40、第58、第64、第68、第116师团，以及第5、第7、第12、第17独立混成旅团，辅以飞行团和海军一部。独立混成第5旅团在莒县之战中被全歼，第7独立混成旅团在临沂战役中被全歼，第37师团被华北派遣军调回山东，兵力减少4万余人。第27师团南下时人员损失了4000余人，第11军主力在这几年迭遭重创，去年年底常德会战又损失5万余人，还损失了大量重武器。经半年休整，第11军虽然编制满员了，但战斗力已大打折扣，重武器也尚未完全补充。为应对长衡会战，日军特意调来了独立野山重炮6联队额外200门大炮，以弥补第11军火力不足。
日军第11军军部从汉口前移至蒲圻，中国派遣军也在汉口设立前进指挥部。长衡会战第一阶段长沙会战自5月底爆发以来，遭到第9战区激烈抵抗。为应对薛岳的天炉战法，日军吸取前三次教训，采取稳扎稳打策略，准备分兵击破国军侧翼包围，避免深入消耗，使国军无法有效诱敌围歼。??
日军以第64师团、第68师团、独立17混成旅团、独立混成第12旅团分任赣北、武汉地区的警备。第68师团原本分配在中路进攻，1号作战计划中第5、7混成旅团用来防守赣北、湖北长江以南地区，但第5、7混成旅团在山东被歼灭，第68师团不得不留下来填补防卫空档。
日军从多个方向同时发起进攻。左翼以第3师团、第13师团进攻通城，向浏阳、醴陵、萍乡方向推进。中路以第34、116师团正面突破新墙河、汨罗江向长沙进攻。右翼第40师团南渡洞庭湖，进攻益阳、宁乡，威胁长沙侧后，同时日军还配备了第二线兵团第27、58师团尾随。