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中方傷亡：1，龐炳勳第3軍團截至3月26日，龐部已傷亡殆盡，龐炳勳致蔣介石密電稱“總計戰鬥兵，現不滿千人”。結合徐祖貽致李宗仁電“龐軍兵力損失過巨…已失戰鬥力”，即便考慮到龐有保存力量誇大傷亡的因素，按龐部戰鬥兵萬人計，亦可約略看出龐部傷亡當在8000人以上。
2，張自忠第59軍劉景嶽和於麟章在回憶文中稱，該軍在最初三天（3月14、15、16日）的激戰中，大量斃傷日軍，但自身“傷亡也不下六、七千之多”。顧相貞證實此說，至17日晨，該軍統計傷亡人數，“第三十八師自投入臨沂戰役以來，傷亡近四千人，第一八0師也傷亡了二千餘人”。《山東省志.軍事志》採信此說，稱“至17日，（第59軍）傷亡7000餘人”。郭汝瑰《中國抗日戰爭正面戰場作戰記》一書亦採信此說，稱“至17日上午，第59軍已傷亡6000餘人”。迨至21日臨沂戰役第一階段結束，於麟章稱“傷斃敵軍約六千人…我軍傷亡人數也在八千人”，顧相貞稱第59軍“傷亡官兵近九千人”。第59軍戰鬥詳報則證實了此數據，24日，再次增援臨沂的第59軍在城西北一帶集結時，全軍可戰之兵僅有1.3萬人，而該軍一戰臨沂前卻有戰鬥兵員2.1萬人，減員8000。
通過下屬單位的傷亡也大略看出第59軍傷亡之慘重。原第38師第113旅旅長李致遠在回憶文中稱，僅在15-18日的劉家湖戰鬥中，“第二二八團原有兩千餘人，損失半數以上；第二二四團也傷亡近半數。”從3月14日至19日，59軍成建制戰死者計有第26旅第678團（團長崔振倫，在進攻朱陳鎮戰鬥中，該團另有一營人犧牲過半）第2營，第113旅第226團第6、10連，114旅227團第12連。時任第59軍軍部參謀處作戰科少校參謀的王丕廉在回憶文中稱：“經過三晝夜的激烈戰鬥，我方僅連長就傷亡一百餘員，士兵傷亡五分之二”。
考慮到第59軍傷亡過重，早在3月16日，徐祖詒即建議該軍撤出戰鬥，轉往郯城修整，被張自忠拒絕。
第2次臨沂戰役後，於麟章稱第38師“減員萬餘人”，張自忠遂決定將該師合併編成一個旅，約千人，歸軍直接指揮。據180師39旅參謀長楊遇春回憶文稱，該旅“只剩下200多人，其餘3000餘人皆傷亡。”楊作爲旅參謀長，提供的本旅戰鬥傷亡人數數據應該是可信的。
