日军自八时开始，持续炮击了两个小时，十时许停止射击，沉寂了约三十分钟，突然集中炮火猛轰东关南半部寨墙的突出部炸开了十余米宽的一个缺口。敌集中数十挺机枪对准缺口扫射，一掩护步兵进攻。守军官兵毫不畏惧，沉着应战，隐蔽在缺口两侧，当敌兵约五、六十人刚下到寨壕将要向缺口冲锋时，向敌猛投手榴弹，将敌大部歼灭。就这样，担负缺口段守备的一连，接连打退敌军三次冲锋，而自己也伤亡近百，由预备队替换下来。。当午二时，日军再向东关东北角猛攻；五时，又猛攻东关门，均被守城部队击退。日军遗尸累累，守军亦伤亡惨重。当晚，战斗停止。
滕县正面四十五军部队经三天浴血奋战，伤亡过半。十六日午，正面阵地被敌突破。四十五军从滕县两侧撤退。当晚，四十一军一二四师和一二二师七二七团奉命陆续进入滕县。三六六旅中途遇故，绕道到达临城。王铭章根据兵力变化情况，重新调整部署。同时，命令各部抓紧补充弹药，构筑工事；在城墙下隐蔽的部队，每班扎一架云梯，随时准备登城反击。
援军汤恩伯部王仲廉军十五、十六日陆续到达临城，先头部队一个团刚下火车，孙震以滕县情况紧急，令其前往增援。该团在南沙河遭围攻滕县日军一部攻击，不支溃退，其它各部仅在南沙河警戒，其军部到达后，得知滕县正受强大敌军围攻，便借口机动作战，将部队迂回向滕县东北峰山以东地区开去。于是南沙河之敌向前推进，二十二集团军总部不能抵抗，遂后撤至运河南岸利国驿，从此与滕县守军失去联络，滕县完全陷入日军四面包围之中。
日军在滕县碰上硬钉子，出乎意料，遂于当夜，调集精锐部队，配属数十辆装甲战车和大量炮兵，十七日六时许，敌集中炮兵火力，猛烈射击滕县城区，敌机二十余架疯狂投弹扫射，整个滕县城硝烟弥漫，房倒屋塌，顿成一片火海。两个多小时的轰炸之后，敌开始向东关进攻，以十余辆坦克为先导，掩护步兵从东寨墙的缺口冲锋。东关守军冒着敌人炮火，在近距离与敌展开殊死搏斗，伤亡惨重。另一部日军向被轰塌的东南角城墙进攻，守军一个连，用集束手榴弹炸毁敌战车两辆，在敌密集火力射击下，该连伤亡殆尽。敌步兵四十余人冲上城角，守军另遣一个连向突人之敌反击，经激烈肉搏，全歼突入之敌，该连官兵仅剩十四人。此时，王铭章急电孙震：“敌以炮火猛轰我城内及东南角城墙，东关附近又被冲毁数段，敌兵登城，经我反击，毙敌无数，已将其击退，若友军深夜无消息，则孤城危矣。”
午二时，日军以重炮猛轰南城墙下街道，同时，敌机二十余架轰炸南关。随后，敖步兵在坦克掩护下进攻南城。守军英勇战斗，伤亡殆尽，敌军攻占南城墙。此时东面日军集中兵力猛攻东关，散步兵在坦克掩护下突入东关。玉铭章见援军无望，再给孙震一电，表示：“决心死拼，以报国家。”
王铭章在敌军攻占南城墙和东关后，亲临城中心十字街口指挥作战。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进，敌炮兵集中火力射击西门城楼。西门、火车站，守军失去城墙等工事掩护，暴露在敌火力之下，伤亡极大，仍坚持抵抗。下午五时，敌占领西城墙和西门，王铭章命令城内各部与敌巷战，西关守军死战待援，自己登上西北城墙，亲自指挥警卫连一个排进攻西门城楼。因敌火力猛烈，城墙上毫无掩蔽，该排全部阵亡。此时，玉铭章决心缒城到西关指挥守军继续战斗，行至西关电灯厂附近，遭西门城楼敌密集火力射击，王铭章见事已不可为，遂拔枪自戕，壮烈殉国。同时殉难的还有参谋长赵渭滨及一二四师参谋长邹绍孟等人。王铭章将军牺牲后，守城官兵仍继续与日军搏斗，除少数突围外，其余皆洒尽了最后一滴血。
滕县之战，王铭章将军指挥第四十一军，挫敌凶锋，阻敌锐进，为徐州一带中国军队的集结赢得了时间，也使日军第十师团受到较大损失，为尔后的台儿庄大捷，创造了有利条件。徐州会战的指挥官、第五战区司令长官李宗仁将军高度评价说：“若无滕县之苦守，焉有台儿庄大捷？台儿庄之战果，实滕县先烈所造成也！”
国民政府对玉铭章将军奋勇抗战给予高度评价，并追赠为陆军上将。
王将军灵枢经武汉、重庆、成都运回其家乡新都，沿途各地纷纷隆重举行悼念、祭奠仪式。在武汉举行迎灵公祭仪式时中共中央代表吴玉章、董必武，八路军代表罗炳辉、齐光，《新华日报》代表吴克坚等前往参加。吴克坚致悼词说：“王师长等殉国烈士的鲜血，不仅洗涤了他们在川军二十年的罪愆，而且更加振奋了全国军民枪口一致对外的民族精神。他们是对得起四川的父老、对得起国家的。王师长是我们炎黄的优秀子孙，是保国卫民的英勇战士，是中国的模范军人，他的死为国家、为民族、为全中国人民，他的勋名将永垂史册，他的精神将永远不死！”毛泽东和秦邦宪、吴玉章、董必武等还联名撰赠挽联：
“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，为中华民族增光。”
中华人民共和国成立后,王铭章被追晋为革命烈士。
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