1938年初，攻陷南京的日本“率中支那派遣军”调集4个师团北上，与津浦线南下的军队相呼应，企图迅速攻取徐州，打通南北战场。
2月，日本侵略军相继侵占了明光、定远、蚌埠、凤阳4座城池，中国方面淮河前线的于学忠部兵力单薄，抵敌不住。
张自忠奉命立援于学忠部。他率五十九军星夜赶路，广昼夜急行军200多里，赶到淮河北岸，截住了敌军，经过一场激烈的战斗，终于击退了敌人。随后，他率五十九军进驻滕县，保障中国军队侧翼的安全，牵制一部分日军，使之不能南进。
日军精锐第五师团板垣征四郎部在青岛崂山湾、福岛登陆后，西进至潍县转南，进逼临沂。临沂是鲁南军事重镇，屏障徐、海，关系全局。其守军是庞炳勋的第三军团。在日军的进攻下，渐感不支，连电告急。
李宗仁急调张自忠驰援。但张自忠与庞炳勋之间曾有过一段私怨。在1930年中原大战时，二人都是冯玉祥手下的战将，彼此亲如兄弟。不意庞炳勋倒戈投蒋，出其不意地袭击张自忠的师部，张自忠险些丧命。之后，张自忠一直把庞炳勋看做是不仁不义之徒。现在调往同一战场，且受庞炳勋的指挥，实在不愿。
李宗仁得知详情后，找张自忠谈话，“你和庞炳勋有宿怨，我甚了解，颇不欲强人之所难，不过以前的内战，不论谁是谁非，皆为不名誉的私怨私仇。庞炳勋现在前方浴血抗战，乃属雪国耻、报国仇。我希望你以国家为重，受点委曲，捐弃个人前嫌。我今命令你即率所部在临沂作战。你务要绝对服从庞军团长的指挥，切勿迟疑，致误戎机！”
张自忠听后，不假思索地回答：“绝对服从命令，请长官放心！”
部队出发前，张自忠接见战地记者时说：“军人要报国，得简单讲句话，就是怎样找机会去死。……早点光荣地为国家去死！”
张自忠率部日夜兼程，一天一夜，疾驰180里，于3月12日薄暮时分赶到临沂近郊，集结于上沟、东西墩、义堂间地区。
薄暮时分，张自忠偕李文田、张克侠、黄维纲等将领前往临沂南关第三乡村师范，第三军团指挥部就设在这里。庞炳勋自得知战区将派张自忠应援临沂后，心中一直担心他是否愿意前来增援。当他远远看到身躯高大的张自忠大步流星地走来，心中高悬了几天的石头终于落了地。他有些吃惊，又感动莫名，急忙迎上前去，久久握住张自忠的手。俩人相视，默然良久，数年积怨，顷刻冰释。张自忠说：“大哥你放心，我决心尽力帮你打赢这一仗！”庞炳勋也动情地说：“老弟呀，人家说你要在北平当汉奸，我才不相信呢。我了解你的为人！”张自忠则落地有声：“今天倒是要他们看看，我张自忠是不是汉奸！”
14日凌晨3时许，五十九军强渡沂河，向日军第五师团发动猛烈进攻。一时间，枪炮大作，地动山摇。张自忠率军部推进至朱潘，就近指挥作战。当记者请他预测战役胜负时，他坦率地说：“这次攻击是成功，还是失败，现在没有把握。板垣的部队实力很强。不过我将尽全力去做，以求良心之所安。”交战至7日，双方伤亡惨重。
五十九军在张自忠亲自督励下，以“报祖国千万一”的决心，反复拼杀，用小战斗群把日军分割开，之后，予以消灭。用这种办法，歼敌甚众，仅刘家湖争夺战，击毙日军旅团长长野及第三大队长牟田，并全歼了日军第三大队。日军溃败，残部逃至临沂东北近百里的汤头镇。张自忠、庞炳勋两部穷追猛打，首开抗战以来追击日军的记录，取得了临沂大捷。蒋介石传令嘉勉，“开抗日胜利之先河，振国军之士气”。
临沂大捷，稳定了第五战区的局势，树立了友军协同作战的模式。同时，打乱了敌军的作战部署，砍断了津浦线北段日军“左臂”，挫败了日本侵略军会攻台儿庄的计划，造成矶谷师团孤军深入，被我围歼。
指挥徐州会战的李宗仁将军事后追述说：“若非张氏大义凛然，捐弃前嫌，及时赴援，则庞氏所部已成瓮中之鳖，必至全军覆灭。”“张自忠的第五十九军奋勇赴战之功，实不可没。”
作为一个旧军人，在强敌日寇面前，张自忠能捐弃前嫌，及时援救庞炳勋，实在是难能可贵的，它突出地表现出张自忠将军的爱国主义精神。
1938年3月23日，津浦路正面日军矶谷师团4万人，配备大小坦克七八十辆，山炮、野炮百余门，沿津浦路临枣支线，直扑台儿庄，以期由此一举而下徐州，夺得打通津浦路之首功。但这时的日本侵略军，由于东路第五师团板垣征四郎部没能越过临沂前来会合，已是孤军深入，当即陷入我国军队的重重包围之中。
这时，日军东路的板垣征四郎部企图增援台儿庄的日军，再次进攻临沂。
庞炳勋以疲惫之师应战，再次告急求援。
张自忠又率部回援临沂，浴血奋战，把日军阻挡住。
29日，缪激流部第五十七军也抵达沂水两岸，巩固台儿庄战斗的右翼阵地。
4月2日，国民党军队开始全线总攻击。
4日，军委会电令张自忠部切断台儿庄与临沂、台儿庄与费县之间的交通，以确保台儿庄战役的彻底胜利。
张自忠率部在临沂外围修筑阵地，进入阵地防御。又以一部向临沂、沂水间及蒙阴、费县间游击，牵制日军南下增援。
参战的各部队奋力苦战，终于击溃了日本侵略军两个师团主力，歼敌近2万人，取得了台儿庄大捷。
张自忠也因两次援救临沂有功，被国人视为抗日英雄，升任第二十七军团长，并兼五十九军军长。
日本侵略军在台儿庄地区惨败后，日方统帅部调整了攻打徐州的计划，从4月中旬起，日军从华北、华东各战场增调10个师团，约30万人，配以重武器，分6路向徐州进逼，包围徐州，企图将中国数十万大军吸引到徐州附近地区，一举歼灭。
5月中旬，国民党政府最高统帅部认为，第五战区各部队，久战疲惫，亟待整补。另一方面，徐州一带系平原地区，无险可守，利于日军机械化部队和空军力量发挥优势。为保存力量，决定放弃徐州，把军队向豫皖方向突围，进行战略转移。
按照计划，“张自忠军团长指挥徐州西北之第五十九军，九十二军之二十一师，四十二军之二十七师以及一三九师在郝寨、肖县附近占领阵地，掩护主力军集结。”
于是，张自忠指挥人马，阻击日军，掩护主力部队的撤退，圆满完成任务后，于6月1日将所部集结于河南许昌附近的村庄进行整训。
张自忠在作战中，冲锋陷阵，身先士卒，常把指挥所置于最前线，在敌人炮火的射程之内，置自己的安危于不顾。因此，手下官兵亦肯用命，勇往直前，决无畏惧。如在临沂战役中，连长一级的军官，牺牲的多达170余人。
在作战中，张自忠还下令，将所有的车马等运输工具，包括他本人的车马，全都留给伤患官兵乘用，而他自己，宁肯步行。
在行军中，张自忠又特别注意军容的整肃，不允骚扰百姓，败坏军纪。一次，雨中行军，他发现一个士兵戴的草帽是老百姓的，就面带怒容，严加训诫。
在撤退时，张自忠又常常殿后。
因此，张自忠深得部下爱戴。
1938年6月12日武汉会战，张自忠部隶属第五战区，守备潢川，掩护国军布防信阳关、武胜关，至9月初，六安、固始、商城等地相继失守，张自忠部驻守的防地失去依托，陷于孤立。
9月7日，统帅部命令张自忠守城3天，掩护豫南主力军向后撤退。
日军凭借其强大的火力，再配以飞机、火炮，狂轰滥炸，企图突破张自忠部的防守阵地，夺取潢川，追击撤退的中国主力部队，
当时，中国陆军步兵团与日军步兵联队的火力比是12：14，火力发射速度为1：3.07。
面对强大的敌人，张自忠率部顽强抵抗，阵地稳如泰山。
五十九军三十八师黄维纲部在春和集与日军硬拼了一周，痛击了敌军。之后，转移到潢川附近。
日本侵略军没能越雷池一步，恼羞成怒，其第十师团竟残忍地施放毒气。张自忠部官兵中毒者甚多，但仍苦苦鏖战，死守潢川。
就是这样，张自忠部阻敌13天，为主力部队及重要物资、粮秣的转移，赢得了时间。19日奉命转移。
10月12日，李宗仁电告张自忠，他已升任第三十三集团军总司令，冯治安副之，张克侠为参谋长。下辖：
第二十九师师长许文耀、第七十四师师长李汉章、第五十九军军长张自忠（兼）、第三十八师师长黄维纲、第一八〇师师长刘振三、骑兵第九师师长张德顺、骑兵第十三旅旅长姚景川、第七十七军军长冯治安（兼）、第三十七师师长吉星文、第一三二师师长王长海、第一七九师师长何基沣、总部特务营营长杜兰喆、全军共3.5万人。
10月中旬，武汉南北屏障大部失守，各路日军已逼近武汉。与此同时，日军开始向广州发起进攻。蒋介石认为战局可能南移，遂决心结束武汉会战。10月17日，张自忠出席第五战区高级将领会议，会议决定战区主力向平汉路以西转移，确保鄂西。鉴于日军的猛烈攻击对战区翼侧造成很大威胁，李宗仁命张自忠第三十三集团军殿后担任掩护。
11月13日，张自忠深感责任太大，致电李宗仁请辞说：“职自知任重才轻，万难胜任。”因为，这次他又被任命为第五战区右翼兵团（又称右集团军）总司令，下辖第三十三集团军、王瓒绪之第二十九集团军、刘汝明之第二十八军团、郭仟之江防军及萧之楚第二十六军等部，总兵力达15万余人。但李宗仁主意已定，张自忠之固辞未能获准，因为张自忠是最好的人选，但是又怕其过度劳累，只好于18日由钟祥赴荆门就职。从此，张自忠成为一方面的统帅。
从1937年12月到1938年，张自忠不仅处分被撤销了，而且连获晋升，一方面是因战争急需人才，另一方面则是张自忠本人屡建战功使得张自忠背着处分重归军旅，戴罪立功，由军长而为军团长，由军团长而为集团军总司令，由集团军总司令而为战区右翼兵团总司令，擢升之快，令人称奇。战场就是杀场，必须时刻警惕变化，不能丝毫的懈怠，因为胜利与否关系到国家的安慰和人民生命的安全。
荆门县城是一个古色古香的蕞尔小城。这里的县长听说张自忠11月18日到达荆门，特地带领四位壮汉抬一乘小轿，牵着三匹坐骑前来迎接。可是这位县长万万没想到，张自忠非但一点也不领情，反而训斥他们的举动：当官的应该心系民众，这些形式的东西不要也好。县长本欲讨好，反遭斥责，尴尬得呆立在那儿。接着张自忠问他说：“你县防空设施有哪些？防空宣传和组织如何？敌机来袭时有哪些信号？民众对抗日工作抱什么态度？你又是怎样动员群众、组织群众，支援军队打日本的？”县官很少做过这些具体的工作，被问得张口结舌，无言以对。张自忠看他不知所措的样子，赶紧让他带人去部署，因为空袭马上到来。过后，又派总部黄参谋和姚副官前去指导和协助工作。
荆门县城西关有一个龙泉书院。背依象山，环境幽美。张自忠就将集团军总部设在这里。
果不出张自忠所料，四天后30多架日机飞抵荆门上空实施猛烈空袭。炸弹与机枪弹不断从飞机腹部倾泻而下，县城内外顿时火焰四起，烟尘滚滚。当时，张自忠正在龙泉书院总部，听到轰炸声，他立刻走出院中，不顾自身安危，亲自指挥附近军民疏散隐蔽；然后自己才躲到一棵松树下，注视着敌机在上空吼叫。目睹一片片瓦砾，一堆堆废墟，遍地横卧、血迹斑斑的尸体和百姓们失去亲人、失去房屋的痛哭哀嚎的惨状，张自忠紧蹙眉头，悲愤地对身边的徐惟烈参议说：“我们国家遭受日寇这种侮辱欺压，实在太可悲了！我这个总司令保护不了自己的人民，当着实在有愧，对不起老百姓！”这时我们在战备上虽束手无策，但信念和气势上绝对不能输。所以他不顾危险，冲上一个瓦砾堆，高声对周围的官兵喊道：“日寇已疯狂到毫无人性的地步，惨杀无辜，令人发指！我们作为军人，不能保卫他们，真是奇耻大辱！此仇不报，死不瞑目！”参谋处当即把他的这番话通告各部队。
突然，几颗炸弹在张自忠附近爆炸，险些将他炸伤。事后，同僚们抱怨他太冒险，不肯珍重自己，张自忠摇摇头，很感慨的回答：“我们在物资储备和武器先进性上比不了敌人，除了必死的决心，还有什么可以战胜他们的呢？”
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