令，得到日军大举进犯的报告后，立即乘火车赶到滕县了解战况，并赴前沿阵地视察。随后孙震在北沙河召集各师、旅、团长和幕僚长开会，向他们传达了李宗仁转来的蒋介石的命令：“第41军固守滕县城3日，迟滞敌军，以待后方陇海铁路转运增援兵力，巩固徐州。”孙震坚毅地说：“为了抗战全局，我们全军将士要人人抱有敌无我，有我无敌的决心，与敌死拼！”
15日拂晓，日军除继续由正面进攻外，还加强了两翼的攻势，并企图迂回至主力阵地侧后。右翼龙山一带因地形有利，又有第127师主力防守，所以形势尚稳定；左翼深井方面，第370旅力量薄弱，伤亡太大，形势危急。王铭章急调滕县城中仅有的一支战斗部队——第124师的第372旅至深井以南的池头集建立第二道防线，以掩护深井第370旅之后背，并加强纵深防守能力。
由于第22集团军的作战指导是企图以阵地防御将日军阻止于滕县以北，所以在日军进攻前后逐次将主要战斗部队全部部署于滕县城北各地，滕县城关地区仅有第122、第124两个师部及第364旅1个旅部，共有4个特务连的战斗部队。当战斗进展激烈、城外各阵地伤亡急剧增加、形势极为严峻时，第5战区电令孙震：“滕县为津浦路北段要点，关系全局，应竭力死守。”同时告知第20军团第85军正在驰援途中。孙震将情况及命令告知王铭章后，王铭章决定加强城防力量，固守待援，立即电令城前第366旅迅急回援滕县；令第364旅炸毁铁路大桥，留1个营防守北沙河，1个营防守城西洪町，其余撤入城内；令临城的第41军特务营赶赴滕县。
15日黄昏时，界河阵地已被突破，龙山被敌包围。由城前返回的第366旅仅先头1个营撤回滕县，主力在城头村附近与日军迂回主力部队遭遇，被迫向临城方向退走。至15日夜，滕县城关地区的部队虽然番号很多，但实际战斗部队仅有11个步兵连、1个迫击炮连，共约2000余人；此外还有师、旅部的4个特务连约500人，滕县地方武装约500人。总计约3000余人。由北沙河退入城中的第122师第364旅第727团团长张宣武受命为滕县城防司令，统一指挥城关各战斗部队。他部署由城前退回的第398旅的1个营防守东关，令第727团1个营防守东、北面城墙，令由临城赶来的第41军特务营防守西、南城墙；其余为预备队，控制于东门内。
日军濑谷支队进至滕县附近时将部队区分为两队。其支队主力进攻滕县，第63联队配属一部炮兵及坦克，由辛庄、中顶山迂回至滕县以南，切断滕县中国军队的退路，并向临城攻击前进。
16日8时，濑谷支队留一部兵力继续进攻北沙河，主力迂回向滕县发起进攻。先对东关进行了约2小时的炮火准备，然后集中火力将东关外围土围墙轰开一个缺口，在猛烈机枪火力掩护下，以约2个小队的步兵向缺口处冲击。守军以密集的手榴弹火力封锁了缺口，并将敌击退。10时至16时，日军对东关连续发起了5次冲击，均被守军击退。但守军伤亡太多，曾3次从城中调预备队补充。日军经整顿后，于17时许又组织第6次冲击，突击部队改以三梯队实施波浪式冲击，同时还延伸火力向东门及城内实施拦阻射击，以阻止城内部队增援。经激烈肉搏，至黄昏时，日军突击部队第三波冲入东关，兵力约1个小队。当夜，守军再由城内增调1个连组织反冲击，将突入之敌大部歼灭，收复了东关。24时左右，防守深井、池头集的第370旅、第372旅残部及防守北沙河、洪町的第727团2个营先后由西门退入城中。此时滕县城北第45军各部均已在阵地被突破后分向微山湖及峄县等地溃退。
汤恩伯的援兵迟迟未到
台儿庄战役后，日军先后集中24万兵力，南北对进，夹击战略要地徐州。图为沿津浦路北进之日军。
考虑到第22集团军在滕县所面临的守备任务艰巨、兵力不足的局面，早在14日日军开始进攻时，李宗仁曾致电蒋介石，请派军事委员会直接控制于豫东的汤恩伯第20军团第85军第4师增援津浦路。经同意后即电告汤恩伯：“敌于津浦北正面增加兵力，大举反攻，以牵制我鲁南之作战，邓部(指第22集团军)兵少械劣，正面薄弱，两翼空虚，恐难拒敌，已电呈委座调贵军团85军驻商丘之一整师(指第4师)，由火车输送至滕县附近，作第22集团军之总预备队。”汤恩伯一方面向蒋介石去电：“恳明定本军归辖系统，以明职责”；一方面电复李宗仁：“恳将本军团全部调津浦北段出击，避免分割零碎使用，以益战局而杜分散，或作无代价之消耗。”实际上不肯令所部转隶别人指挥。当夜21时，汤恩伯接蒋介石来电，令其“85军即晚准备由商丘乘车经徐州向临城输送，务于17日拂晓前到达临戒集结完毕”的命令，蒋介石同意第52军也随后东调，虽然隶属于第5战区，但全军团仍待汤“到徐州指挥”。汤这才复电李宗仁，应允令第4师出发。
15日11时，李宗仁又电告汤恩伯：“铁道正面敌已突破界河阵地，进入二十里铺附近”，速令第4师“先头一部开往滕县附近，增加第22集团军正面之抗战”，同时要求第85军“主力集结临城东北地区待机出击”。
16日，当滕县以北第45军阵地相继失守、第41军第122师已被围困于滕县城中、前线形势已极恶化时，第5战区还在计划将进攻的日军消灭于滕县北。当日16时下达作战命令主要内容为：“(1)敌为牵制我鲁南之攻击，现集中济南以南之兵力，由铁路正面向我第22集团军猛攻中。(2)战区为击攘沿津浦线南下之敌，从铁道东侧包围该敌，将其聚歼于邹县以南地区。(3)第22集团军应在现地极力拒止敌人，俟第85军迂回成功后，转为攻势，以收前后夹击之效。(4)第85军除一部直接支援第22集团军巩固滕县城防外，主力由铁道以东地区向下看埠、邹县间迂击敌人，到达邹县南方高地附近后，相机向南与22集团军夹击两下店以南之敌而聚歼之。在迂回运动间，须派出极有力之右侧支队警戒前进。(5)第3集团军应全线对当面之敌反攻，并以有力部队由济宁以北地区向兖州以北攻击前进，努力截断敌之归路并阻止其增援。”第85军第4师先头部队在到达滕县以南的南沙河时，与向临城迂回的日军第63联队先头部队遭遇。汤恩伯抱定“避免临城决战”的方针，急令第85军以“第89师舒旅(第267旅)占领临城、官桥正面”，“主力向东西集山、凤凰庄一带集结”，没有派部队增援滕县。这样，第22集团军急切盼望汤恩伯军团的先头部队第85师增援的希望化为泡影。由于增援滕县的援军未能及时派出，使滕县守军的压力骤增，形势急剧恶化。
17日晨，日军第63联队开始向官桥进攻，日军更大的进攻又开始了。日军五六十门山炮、野炮向县城猛轰，敌机20余架疯狂地投弹扫射，整个滕县城顿时火光冲天，硝烟弥漫，爆炸之声震天撼地。这样连续轰炸了2个多小时后，日军开始向东关进攻。日军以10余辆坦克为先导，掩护步兵向东寨墙轰开的缺口冲锋，同时以炮火分向东关全线和城内施行遮断射击，以牵制中国守军的临时调动和中国军队后线的增援，敌机更是如乌鸦似的满天飞，疯狂地进行低空扫射。防守东关的第124师740团团长王麟率领两个营死守东关，冒着猛烈的炮火，在近距离与日军展开殊死搏斗，双方均伤亡惨重，遗尸累累。
激烈的战斗一直进行到中午12时．日军的屡次进攻均被中国军队击退，攻势受挫，被迫中止进攻，整顿态势，准备新的进攻。此时，王铭章再次急电孙震，报告战况：
敌以炮兵猛轰我城内，及东南城墙，东门附近又冲毁数段，敌兵登城，经我反击，毙敌无数，已将其击退，若友军深夜再无消息，则孤城危矣。
下午2时，日军用12门榴弹重炮猛轰我南城墙的正面，同时敌机二三十架集中轰炸南关。守备南关的743团两个连队，因昨天深夜才赶到滕县，匆忙布防，仅筑了一些临时掩体，没有坚固的防空设施，以至在很短的时间内便伤亡过半，剩余部队被迫向西关车站附近转移。南城墙被日军重炮轰击后，几乎夷为平地，守军740团的蔡钲营伤亡惨重，城墙的残垣断壁和砖石上沾满了战士们的血肉。日军停止轰击后，五六百个敌兵在10余辆坦克掩护下，立即扑到南城。守城的士兵以血肉之躯同日军死拼，下午3时半，日军占领了南城墙。在场督战的370旅旅长吕康、副旅长汪朝廉均负重伤。王铭章急向孙震报告：
独立山(滕县东南10余里，是汤恩伯军团预定到达的地点)友军今日仍无枪声，想系被敌所阻，目前敌用野炮飞机，从晨至午，不断猛轰，城墙缺口数处，敌步兵屡登城，屡被击退，毙敌甚多，职忆委座成仁之训，及开封面谕嘉慰之词，决心死拼，以报国家，以报知遇。
正在这时，日军对东关再次发起更猛烈的炮击，寨墙被炮弹炸得犹如锯齿，多处倒塌，工事全被摧毁。东关守军失去凭借，死伤愈来愈多，同时手榴弹已经用尽，难以再战。日军突入东关，守军拼命抵抗。守备东关的740团团长王麟、团政训员胡清溪和守军一起阵亡。
王铭章捐躯举国震动(1)
李宗仁题41军死守滕县记事册。
激战至17日15时30分，日军由塌处突上城墙，迅速向东、西城墙扩大战果。守军残部由西门退至西关车站。不久，东关及西城门楼均为日军占领，仅余城内、北门及东北城角的守军仍在继续抗击。此时天色已暮，王铭章见日军已突入城关，还不见增援部队赶到，向孙震发出最后的电报：
17日晚，我援军尚未到，敌大部队冲入城，即督所留部队，与敌作最后血战。
电报发出，王铭章下令把电台砸毁，来到县城中心十字街口，指挥所部继续与日军作战，此时占领南城墙之敌在机枪火力掩护下，从西南城角向西城墙逼近。同时日军炮兵集中火力袭击西门城楼和西门，守军大部死伤，西城楼和西门也被日军占领。王铭章命令城内各部与日军展开巷战，自己登上西北城墙，亲自指挥警卫连一个排进攻西门城楼。因日军火力猛烈，城墙上毫无掩蔽，该排全部阵亡。这时，王铭章决定到西关车站组织该地残部继续防守，行至西关电灯厂附近，遭到西门城楼的日军密集火力射击，王铭章不幸腹部中弹，趔趄倒地，随从们忙扶他起来，他疾呼：“抵住，抵住，死守滕县！”这时又一阵密集的枪弹扫来，王铭章又一次负伤。他见大势已去，危城难守，自己已负伤数处，不能行动，遂高呼：“中华民国万岁，抗战到底！”即用手枪，饮弹殉城。他的参谋长赵渭宾、副官长罗甲辛、少校参谋谢大埔、第124师师参谋长邹慕陶及随从10余人，也都同时为国捐躯。
滕县县长周同听说王师长殉难，急忙从城北赶来，抚摸着王铭章的遗体大哭，悲痛欲绝。缓步登上城墙，环顾四周，长叹一声，坠城身亡。
王师长英勇殉国的消息传到城内，受重伤的300名士兵以他为榜样，宁死也不落入敌手，于是互相以手榴弹自炸，全部壮烈牺牲。
王铭章为保卫滕县流尽了最后一滴血，是台儿庄会战中中国方面牺牲的最高指挥官。
王铭章将军牺牲后，守城官兵继续与日军搏斗，入夜之前，日军占领了东、南、西三面城墙，而东北、西北两个城角和北面城墙仍在中国军队手中。夜9时，守军二三百人突出重围。但在城内，与大部队失去联系的零星小部队仍在顽强地战斗，彻夜枪声未停，直至18日午前，滕县才算沦入敌手。
滕县保卫战自1938年3月14日早晨开始，至18日中午结束，共4天半，计108小时。守军第41军守城部队自第122师师长王铭章以下伤亡5000余人，在滕县附近界河、龙山、南、北沙河一带作战的第45军，自第127师师长陈离以下也伤亡四五千人。滕县整个阵地化为灰烬。进犯的日军伤亡也十分惨重，死伤达2000余人。
3月底，当台儿庄会战快要取得胜利时，第22集团军总司令孙震，怀着一种激动、欣喜、自豪、抑或有些悲伤、不平的复杂心情，向国民政府军事委员会上报了一份《关于滕县战役的战斗详报》。在论述“此役所产生之成绩及影响”一节中，他这样写道：
在滕县血战中，我集团以绝对劣势之装备抵抗高度机械化敌兵，于极不利于防御之地形上阻敌锐进，达三昼夜之久，弹尽援绝，继以白刃，更继之以拳，复继之以齿，终继之以血，以头颅，以达成巩固津浦北段，保障徐海，争取余裕时间使友军得以从容布置之任务。虽牺牲殆尽，亦不稍顾。则中国军队战斗意志之坚强，奉行命令之彻底，官兵之视死如归，可谓超今逾古，罕有其匹，而死事之烈，报国之忠，虽与日月争光可也。
滕县血战达到拘束敌人之目的。若无滕县之血战，则汤、孙两军不能于临城、台儿庄从容布置；汤、孙两军若布置未成，则运河危，徐州殆，焉有台儿庄之大捷?敌军若不受挫台儿庄，徐州必被一鼓而下。徐州既失，陇海路不保，则武汉亦失陷，武汉之失陷，影响于国人抗战意志之至大，而各种军事计划设施等亦必随之瓦解，其危险岂堪想像!故人谓之滕县之役，乃保证抗战胜利之表现，实不虚也。
我军于滕县浴血苦战，虽势力悬殊，然能取得同等代价，而将矶谷部队之锐气消磨殆尽；此役结果，影响所及中国军队自南京退却后几将不振之士气，为之复活。反之，敌军不可一世之骄妄气焰为之挫戢。尔后矶谷所部之徘徊韩庄、台儿庄运河线上，迟迟不进，能不谓为非受士气消沉之影响也……
为表彰王铭章将军，4月6日国民政府追赠其为陆军上将。全国各界特别是四川民众组织了盛大的悼念活动。
抗战中颇有声望的《扫荡报》发表了《滕县血战的印象》，其中第二段载：
“……在这短短的几天滕县血战中，有很多惊天地、动鬼神的故事，值得我们正视，值得我们泣诉!如122师师长王铭章、参谋长赵渭滨、副官长罗世泽；124师参谋长邹绍孟、傅哲民均已尽忠职守、为国捐躯了。未出城之两师官兵，仍利用城内的破壁颓垣，与敌抗拒。据我飞机报告，至18日午后犹与敌在城内混战中。当城破的时候，所有受伤官兵、未逃出城者，约千人左右，均以步枪或手榴弹与敌拼命或自杀，无一生还。抗战之烈，死亡之勇，前所未闻，实开守土殉城之先例。”
几乎与此同时，在距滕县120公里之外的徐州第5战区长官司令部里，李宗仁将军接受了一批中外记者采访。李宗仁操着桂林口音，缓缓说道：
王铭章捐躯举国震动(2)
连防山之战，中国军队冒着日军的炮火冲向村寨，争夺阵地。
“从15日起，敌人冲破界河南窜，以数万之兵，经北沙河、东沙河，迫近滕县城猛攻。我122师师长王铭章中将，挥军血战，城外堡垒尽毁，即继以守城，城破继以巷战，十荡十功。直至18日午后；王师长以下全师殉城，至为惨烈。城破以后，除有机会跳城归队者外，其中城中残留官兵，均战至最后，以手榴弹自戕，无一被俘投降。奉命之忠，死事之烈，克以保障徐淮，奠定抗战之基，睢阳之后，一人而已……”
李宗仁的一席话引起在场中外记者强烈共鸣。在场的记者就有一位西方记者流出了感动的泪水。她就是后来闻名中外的安娜路易斯斯特朗。她在自己的文章中这样描写自己的感受：
“太伟大了，这些黄皮肤的中国兵实在了不起！今天我才真正懂得，要征服这样一个倔强民族是不可能的，尽管，他们也许还要经受一百次的大轰炸、一千次的大屠城、一万次的大磨难……”
中共领导人毛泽东、秦邦宪、吴玉章、董必武等人联名题词：
奋战守孤城，视死如归，是革命军人本色；
决心歼强敌，以身殉国，为中华民族争光。
川军以惊天地、泣鬼神的悲壮牺牲震惊中外，写下了川军战争史上最为辉煌壮丽的一页。122师师长王铭章将军前