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第3集团军向济宁、汶上进攻的同时，第22集团军也开始向邹县之敌进攻。邹县日军是第10师团第33旅团第63联队，有一个大队在两下店占领前哨阵地。
2月14日，第125师第737旅以第746团、配属地方抗日红枪会数百人担任主攻，以第745团占领铁路及郭村进行掩护。第746团第3营对两下店实施夜袭。两次袭击，均被日军击退。
16日下午，第746团又以第1、第2营实施强攻，以第3营为预备队。经激烈战斗，于傍晚冲入村中，占领了两座楼房。但在日军猛烈火力袭击下伤亡过半，被迫于拂晓前突围，退至郭山。17日14时，两下店日军开始反击。反复争夺后，第737旅于18日退至香城、普阳山一线，与日军对峙。
奉命深入敌后的第575团，在当地抗日武装配合下，于2月11日进至曲阜以南九龙山一带。14日，在邹县至曲阜公路两侧小薛庄附近，先后以伏击战消灭了两批日军，击毁汽车四辆，击毙日军第10师团少将军官一名、士兵30余人。
15日，日军由曲阜、邹县对进合击。第575团东撤至邹县约16公里的田黄镇，尔后返回滕县防地，归还建制。庞炳勋第3军团于2月上旬从海州调至临沂布防。日军第5师团于1月4日攻占蒙阴、沂水，10日攻占潍县。同日日本海军登陆占领青岛。此时诸城也被日军占领。第3军团未能实施攻势作战，即构筑工事，向蒙阴、沂水、诸城方向警戒。
2月21日，日军第5师团依照军参谋长指令，派第21旅团（坂本支队）由潍县南下进攻莒县。当时莒县地区仅有刘震东的第一游击队及沈鸿烈的海军陆战队，兵力不足。第五战区遂令第40军派兵支援。
庞炳勋即令第115旅前去支援，该旅26日到达时，莒县已于23日失守，刘震东牺牲，海军陆战队已转移至高里附近。日军坂本支队正西进准备进攻临沂。27日，坂本支队向第115旅发起进攻。激战两日，第115旅伤亡惨重，于29日下午后撤，3月2日退至相公庄休整。日军追击前进，3月5日攻占汤头。
当日军继续向白塔主阵地进攻时，遭到守军第39师坚决抗击，由左右两翼向敌后迂回。日军被迫退回汤头，两军暂时形成对峙。