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得到从五井方向突围失败的消息后乃木希典立刻下令停止进攻，撤回石佛店附近，一个小时后五井方向日军撤回，双方汇总，共损失兵力七千余人，弹药所剩无几。北上突围的线路被断，乃木希典开始重新思考进入山区开展游击战的可能性。
“沂蒙山区的资源根本不足以提供游击战的供给，即使无法回到本土，也要拼死作战以报效天皇！”
“没有弹药、还有刺刀，我建议销毁所有重武器，参谋、文员、工兵等所有士兵都加入攻击部队，从防守相对薄弱的冶源方向展开一次总攻击，一次性突破华军防线！”
“对，从海浮山阵地三面攻击，我们也加入冲锋，一万两千余人的兵力，不成功则成仁！”
手下群情激愤，你一言我一句根本没有看乃木希典，他觉得对军官们失去了控制，在这个时候能维持部队的秩序已属不易，万万不能与这些军官们对着干，不然就是‘下克上’的局面。总是带领部队打败仗的将军是没有威望的。
一千三百余名华军陆战队士兵防守的海浮山阵地即将面对日军十倍兵力孤注一掷的攻击，好在华军阵地完整、弹药充足、火力强大，士兵们在战前甚至得到了当地村民赠送的饺子，当然白面是陆战队后勤部们赠送的。
原本植被茂密的海浮山变得光秃秃，攻击开始后华军的炮火让山石碎裂，碎石的威力不比弹片小多少。采取密集冲锋的日军在离华军阵地五百米外时就损失惨重，日军士兵在军官的督促下光着膀子、挺着刺刀嗷嗷直叫，一支日军大队趁机从海浮山右侧的山谷绕过去，试图偷袭华军阵地后方的水源供给点。
那里不仅有地下水喷涌形成的老龙湾泉，还有陆战队的后勤补给线。日军此举总算给指挥作战的蔡松坡一点压力。
“炮兵十发急速射，二营一连三连给我截住日军！”位于海浮山北面的指挥部，预备队一连和二连整装待发。在日军猛烈的攻击下，凭借强大的火力蔡松坡还有余力保留一部分预备队。此时正好派上用场。
“让一团和申玉学少校的师侦营绕到石佛，从后面堵住日军的退路，老子要在这里将日军全部消灭，不能让他们再逃进沂蒙山！”青州的陆战一团赶到后蔡松坡终于有反击的力量，25日下午三点，陆战一团和师侦营从临朐西侧绕道日军侧后，将完全采用冷兵器作战的日军一万余人包围。
乃木希典等日军高层在第一波冲锋中身先士卒，全部死亡。剩余士兵在中下级军官的带领下坚持作战，但在后路被断、弹尽粮绝后向华军投降。临朐攻坚战是日军第一次大规模的向华军投降，也是华军第一次没有屠杀日本战俘，这一万多名日军士兵被严格看管，成为山东筑路大军中的一员，从事沂蒙山区地形崎岖地段的开山筑路工作。三年后由于这些战俘表现极佳，被华国政府释放、送回日本，不过那时只有一千余人幸存。
此战之后山东地区的日军全部被消灭，华军完全掌控山东半岛，兵锋直指京津地区。并威胁山东西侧河北河南地区的北洋军，段祺瑞率领的北洋军第一集团军十万余人处于华军两面包围之中。华军第二集团军和第三集团军正在谋划围歼北洋军段祺瑞部的战略，不过在此之前另一处战场的战斗吸引了外界的目光。辽西战役即将展开。