约六千人…我军伤亡人数也在八千人”，顾相贞称第59军“伤亡官兵近九千人”。第59军战斗详报则证实了此数据，24日，再次增援临沂的第59军在城西北一带集结时，全军可战之兵仅有1.3万人，而该军一战临沂前却有战斗兵员2.1万人，减员8000。
通过下属单位的伤亡也大略看出第59军伤亡之惨重。原第38师第113旅旅长李致远在回忆文中称，仅在1518日的刘家湖战斗中，“第二二八团原有两千余人，损失半数以上；第二二四团也伤亡近半数。”从3月14日至19日，59军成建制战死者计有第26旅第678团第2营，第113旅第226团第6、10连，114旅227团第12连。时任第59军军部参谋处作战科少校参谋的王丕廉在回忆文中称：“经过三昼夜的激烈战斗，我方仅连长就伤亡一百余员，士兵伤亡五分之二”。
考虑到第59军伤亡过重，早在3月16日，徐祖诒即建议该军撤出战斗，转往郯城修整，被张自忠拒绝。
第2次临沂战役后，于麟章称第38师“减员万余人”，张自忠遂决定将该师合并编成一个旅，约千人，归军直接指挥。据180师39旅参谋长杨遇春回忆文称，该旅“只剩下200多人，其余3000余人皆伤亡。”杨作为旅参谋长，提供的本旅战斗伤亡人数数据应该是可信的。