临沂攻防战，又称临沂保卫战，是中国抗日战争徐州会战期间中日双方在临沂市及其地区展开的一系列攻防战斗。中方参战部队为国民革命军张自忠部和庞炳勋部，日方参战部队是板垣征四郎指挥的第5师团。战斗历时一个多月，最终国军成功将日军阻挡于临沂地区，导致日军两路合围台儿庄区的计划未能实现，是台儿庄大捷中方获胜的重要因素之一。

1937年7月中国抗日战争全面爆发后，日军在华北地区的平津作战中攻占北平市和天津市等地，随后在淞沪会战和南京保卫战中攻占了中华民国当时最大工商业中心上海市和首都南京。日军随后将进攻矛头转向津浦和陇海铁路两大铁路的交汇处，中原地区东部的军事要地徐州市。至1938年3月，日军沿津浦铁路南北对进欲要夹击徐州，再由徐州西折郑州市后再沿京汉铁路南下一举攻下武汉，企图一举斩断中国军队和经济物资西撤的退路，尽快解决中国事变。

1938年3月9日，日军第五师团之坂本支队向临沂地区发起进攻，守军是庞炳勋所率领的国民革命军第40军。由于40军兵力不足，守备防线很快被突破，日军突破白塔、沙岭战役等地阵地后，40军退守临沂城郊。为避免临沂失守，抗日战争第五战区司令官李宗仁令59军张自忠率领其所部第59军前往支援。在大敌当前，张自忠和庞炳勋放下旧怨共抗日军，并制定了“以攻为守”的战术策略。3月14日，张自忠率领第59军开始强渡沂河，右派部队进攻顺利，左翼第115旅遭遇日军抵抗，第180师攻占亭子头，第38师进攻沙岭遭坚强抵抗。16日，日军增援部队约4000人渡过沂河到达战场，张自忠调整部署，利用日军夜战无法获得空中或炮兵火力支援的机会对日本守备阵地发动逆袭，收复阵地。同时，庞炳勋亦率部从临沂城内发起反击，攻占沙河等地。至3月17日，国军成功击退日军，第59军伤亡超过6000人。

3月18日，李宗仁判断日军伤亡较大，应无力对临沂立刻再发动大举进攻，令张自忠留下一个旅协助庞部防守临沂，率主力于20日夜向费县转移。然而日军于29日再次向临沂发起进攻，庞部第40军兵力单薄，日军发起猛攻后国军节节败退。张自忠急行军前往救援，中日两军于临沂外围再次激战。由于日军台儿庄区方向战况吃紧，临沂方面部队被调走大部分，国军趁机发起反击，将日军打退至易堂集一带，随后形成对峙。两个阶段交锋国军共计伤亡一万余人，其中第59军军官伤亡过半；日军伤亡约3,000名以上。

临沂攻防战对于徐州会战和台儿庄大捷的结果起到了重要作用。张自忠在此战中与庞炳勋和解，59军的善战也赢得各界赞誉，洗刷汉奸之屈。张自忠后被提拔为三三集团军司令兼五十九军军长。临沂一地未失，也为台儿庄战役中日军无法解决遭到包抄的问题，对后来对台儿庄战役的结果起到了重要作用。然而，40军以及59军在此役都遭重创，须后撤整补。4月19日，日军第五师团下辖之第九旅对临沂发动总攻，守军不支；五战区在评估部队状况后，40军在1938年4月21日奉命撤离，日军随即攻占临沂。根据日军第2军的统计资料，日军第5师团1938年2月中旬至4月中旬总共战死1,444名，战伤5,268名，其中绝大多数应死伤于临沂保卫战。