第一次听到庞炳勋的名字，他还是和张自忠将军并列在一起的，1938年2月庞炳勋奉调临沂，参加台儿庄大战，庞炳勋所部当时负责驻守临沂，日军板垣师团向着庞炳勋部发起猛烈进攻，阵地一度动摇，而当时张自忠将军曾率59军亲自驰援，二者在临沂艰难防守，取得了几次临沂大战的胜利。
实际上张自忠和庞炳勋两个人曾经有仇，据说还是在中原大战的时候，庞炳勋率部差一点就将张自忠将军斩首，要不是后来跑得快，可能就没命了，也有因为两人有这个矛盾，当时庞炳勋死守临沂的时候，一听说是张自忠离他最近，一度认为自己快完了，好在张自忠将军不念旧恶，欣然前往，两人在战场上握手言和，一度曾经让人感佩，但没想到的是，张自忠将军牺牲在抗日战场上，而庞炳勋却叛国投敌。
庞炳勋所部曾与精锐日军激战，损失惨重，最惨的时候，兵力仅剩不到一个旅，老蒋也感念庞炳勋做出的贡献，后来为庞炳勋所部补充了不少的兵力和装备，甚至还专门派了一个师下辖庞炳勋所部之中，改变了庞炳勋一个军长期以来只有一个师的记录，这支部队后来调往华北战场，曾经和八路军所部有部分摩擦。
不过庞炳勋为人也十分精明，每战出工不出力，所以得以保全，后来升任二十四集团军总司令，虽然所部拥兵7万之众，但是庞炳勋这时候面对日军的扫荡，多少有点消极的意思，但日军扫荡的时候，可完全没有给这位总司令的面子，加上庞炳勋所部本来就四散分开，以至于扫荡中被日军各个击破，数万大军一夕之间崩溃。
庞炳勋腿上本来也有伤，走不快，逃跑的时候是被人用滑竿抬着走，身边就生下了40军军部十几个人还在身边，老庞躲到了一个山洞里面没出来，却意外之下碰到了一个老熟人孙殿英，这两人之前都是西北军的老熟人，当地民众也以为没事儿，所以就把孙殿英放进来了，哪知道孙殿英早就归降了日本人，这次来是专门劝降的，气得庞炳勋大骂。
但日军后来派了一个少尉军官劝说老庞，老庞却欣然投降了，这个日军军官名叫田中彻雄，这个人虽然在部队中担任要职，但是他的任务可不一般，其毕业的东亚文书学院，专门是培养日军间谍人员，以便必要时在战场上劝说敌方将领投降，这个人先后多次出入过老庞军部，也算是个老熟人，当时庞炳勋自恃拥有几万大军，所以坚持不投降，但这时候几万大军灰飞烟灭，自己也是没牙的老虎，再打下去命也没了，所以干脆投降了。