由于張里元治理有方，原來(lái)匪患遍地的沂蒙山區(qū)政令暢通，百姓富庶，張里元也由此被推為模范縣長(zhǎng)和模范專員，兩次到南京受訓(xùn)。韓復(fù)榘對(duì)張里元也極為信任，命他在臨沂分批輪訓(xùn)省屬各縣縣長(zhǎng)，張里元搜集成功的經(jīng)驗(yàn)事例，總結(jié)出“不愛(ài)錢，不怕死，愛(ài)國(guó)家，愛(ài)百姓”幾個(gè)專題，與諸位同僚分享。訓(xùn)練班中，沂水縣長(zhǎng)范筑先蒼髯霜鬢，年齡最長(zhǎng)，但他上課時(shí)始終端坐聽(tīng)講，聚精會(huì)神，毫無(wú)倦意。張里元對(duì)其甚為尊敬，二人非常投機(jī)。后來(lái)范調(diào)聊城任職，兩人還經(jīng)常書信往來(lái)，互相勉勵(lì)。抗戰(zhàn)爆發(fā)后，韓復(fù)榘不戰(zhàn)而逃，山東省七個(gè)行政督察專員中只有張里元和范筑先沒(méi)有逃走，留在任所率部抗日。

1938年3月初，日軍板垣師團(tuán)由青島經(jīng)高密、諸城、莒縣一線進(jìn)攻臨沂。當(dāng)時(shí)臨沂城防司令由張里元兼任，他手下只有區(qū)區(qū)兩千余人的保安團(tuán)隊(duì)，情況危急，張連忙向徐州第五戰(zhàn)區(qū)急電求援，第五戰(zhàn)區(qū)司令長(zhǎng)官李宗仁派第四十軍軍長(zhǎng)龐炳勛馳守臨沂。龐炳勛和張里元率眾堅(jiān)守城池，與日軍激戰(zhàn)一月有余，屢挫日寇。

4月19日拂曉，日軍攻占臨沂城西門，并在城頭豎起日軍軍旗。龐炳勛命令張里元組織敢死隊(duì)，兩小時(shí)內(nèi)必須拔掉日旗。張里元受命后，親自組織特務(wù)營(yíng)官兵三百余人集合，大聲喊道：“我任隊(duì)長(zhǎng)，以死相拼，誓奪西門！”官兵見(jiàn)狀，無(wú)不奮勇，特務(wù)營(yíng)營(yíng)長(zhǎng)鄭殿元脫衣赤膊，挺身跳出，高聲呼道：“敢死隊(duì)長(zhǎng)由我擔(dān)任，專員請(qǐng)?jiān)诤竺娑綉?zhàn)！”說(shuō)罷即率三十余名魯南壯漢，手提大刀，腰插二十響盒子炮，直闖西門，與敵短兵相接。不到半個(gè)小時(shí)，我方勇士就全殲敵人，拔掉日旗，奪回西門，大大振奮了我軍士氣。4月21日，臨沂城陷入敵手，守軍奉命轉(zhuǎn)移。張里元也率隊(duì)伍撤至臨沂西部費(fèi)縣山區(qū)，與日軍展開(kāi)了游擊戰(zhàn)。

晚景凄涼，客死異鄉(xiāng)

張里元以保安一、二旅和特務(wù)團(tuán)為骨干，在沂蒙山里招兵買馬，擴(kuò)充隊(duì)伍，他將臨沂、費(fèi)縣、沂水等地的小股地方武裝招編，至1939年間，張里元已擁有八個(gè)旅和一個(gè)特務(wù)團(tuán)近萬(wàn)人的隊(duì)伍，在魯南一帶赫赫有名。此間，張里元與中共山東分局和八路軍多有默契，與朱瑞、徐向前、張經(jīng)武、郭子化、郭洪濤等中共山東領(lǐng)導(dǎo)人也經(jīng)常接觸。后來(lái)國(guó)共之間起了摩擦，省主席沈鴻烈讓張里元去騷擾中共山東分局駐地王莊，被張里元斷然拒絕。

張里元原來(lái)與韓復(fù)榘關(guān)系不錯(cuò)，韓對(duì)他有知遇之恩，張對(duì)其也一直心存感激。因?yàn)檫@個(gè)，韓被蔣介石槍斃后，張里元不太買新任省主席沈鴻烈的賬，兩人關(guān)系不睦，時(shí)有齟齬發(fā)生。1941年，沈鴻烈找借口免了張里元的職，任命張?jiān)瓉?lái)的軍法官、蒙陰縣縣長(zhǎng)鄭小隱為臨沂專員。張手里有人有槍，根本不在乎，于是便轉(zhuǎn)投沈鴻烈的政敵、蘇魯戰(zhàn)區(qū)總司令于學(xué)忠，擔(dān)任了蘇魯戰(zhàn)區(qū)第一游擊縱隊(duì)司令，在日照、莒縣、沂水、費(fèi)縣一帶與日軍周旋。