1927年6月中旬，北伐军占领郯城，临沂城内的奉系军进入备战状态。6月20日前后，孙传芳由枣庄抵达临沂，秘密召见方永昌，命令方永昌誓死守住临沂。
6月22日，北伐革命军从郯城出发直逼临沂城。第二天上午，北伐革命军抵达距离临沂城22.5千米的李庄镇。下午，北伐革命军抵达临沂城郊。奉系军将布置在城南的军队撤回城内，北伐革命军很快将临沂城团团围住，展开了近20天的激烈攻城战。对于守城的奉系北洋军来说，临沂城城高墙厚，居高临下，又有护城河环绕，易守难攻，有着很大的地理优势。北伐革命军攻城都是在夜间到拂晓时段，整个下半夜不停地进行猛烈攻击。在进攻策略上，北伐革命军先是展开四面围攻，后来展开重点进攻，攻击南关、城东南角和正东方向。北伐革命军敢死队重点攻击地势相对较高的城西北角炮台。奉系北洋军凭借临沂城地势高的地理优势，居高临下，拼死防守。北伐革命军由下往上攻击，连夜围攻数十次也没能攻入城内。后来，北伐军从南方运来窄而高的竹梯，士兵们攻打到城墙下就竖梯子往城墙上爬。城内奉系北洋军首领方永昌向煤油公司借来1000桶煤油，用干草、棉花等引火，蘸着煤油往城下抛。北伐革命军连夜围攻，攻开了南关东部圩墙处一个5尺多宽的缺口，北伐革命军前锋攻入城内。但是城内奉系军集中火力反击，北伐革命军只能被迫撤回。第二天，城内奉军很快将缺口修好。北伐革命军围攻临沂城20余天始终未能将其攻破，死伤人数持续增多。
在政治宣传上，北伐革命军派出小型飞机，低飞在临沂城上空，散发传单、标语等，目的是劝守城军投诚革命军，劝官兵们不要为北洋军阀卖命，劝群众帮着革命军打军阀。城内军阀首领方永昌下令查禁烧毁所有传单、标语，命令百姓捡到后一律交给驻军，否则格杀勿论。(www.xing528.com)
城内奉系军阀虽然凭借地理优势固守于城内，但其军需粮草难以支持长时间战事。战争若再持续下去，城内必然自乱，不攻自破。6月底，方永昌的二弟、营长方大昌私自率兵开西门出战，企图偷袭北伐军，结果在混战中战死疆场。方永昌闻讯后悲愤交加，痛不欲生，但鉴于兵力不足，便下令全体士兵固守城内，以待战机。据传方大昌之妻对方永昌固守不出十分不满，数次催促他出城反击，以报方大昌之仇，然而方永昌不为所动。但方永昌毕竟久经沙场，心中有数，他静待战机，并下令让士兵做好各项战斗准备，将城墙上的火炮装药待命。城外的北伐军日渐懈怠，有的人竟然在中午时分或倚树歇息，或下河洗澡。方永昌见战机到来，遂下达战斗命令，命火炮一阵猛烈轰击之后，派兵大举出城反击。北伐军仓促应战，手忙脚乱，难以抵挡方部的猛烈进攻，在伤亡较大的情况下慌忙撤退。7月11日夜间，临沂城外的北伐革命军突然撤走，临沂解围，攻城战到此结束。北伐革命军之所以突然撤走，是因为蒋介石发生了叛变，公开反共，下令屠杀共产党人。蒋介石下令将进入山东的北伐军，包括围攻临沂城的北伐部队，一律南撤回南京。
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