滕县守军总结一天多的守城经验，认为躲开日军飞机炮火是保存兵力的关键。于是全体官兵在城墙根下挖掩体、掏防空洞。再就是滕县城墙高且陡，上城墙的路每座城门旁边只有一条。当敌机、大炮轰炸时，除留少数人员观察外，其余士兵都要下到墙角下的防空洞里隐蔽，等敌人冲锋时又要爬上城，这些必须在很短的时间内完成。怎么办？必须多绑云梯，每班至少要有一架。还有就是把所有手榴弹箱开启，揭开手榴弹的盖子。
忙了一整夜的官兵刚把一碗粥喝下肚，有的连馍都还没吃上，日军的炮兵便向滕县开炮了。王铭章带着几个旅长、团长还有一帮参谋长，在观察所里朝滕县外观察、了望。敌人增兵了，张宣武团长说。
是的，日军攻打滕县的人马增加了一倍。矶谷廉介有点破釜沉舟的意思，他不仅调集了第10师团的主力，还把106师团的1个旅团也调来了，日本兵马3万余，在滕县四周黑压压地列着队，像是等谁检阅似的。
日军用70多门大炮、50辆坦克战车，在20多架飞机的配合下，攻打滕县东门、南门和北门。敌人的轰炸异常猛烈。在师部开会的张宣武冒着炮火返回团指挥所时，在城里一时竟找不到东西大街了。墙倒屋塌，满街的建筑物残骸堆得像一座座小山，石板路被炸成一个个深坑，全城一片火海，浓烟熏得连眼睛都睁不开。
遍地都成焦土。张宣武突然想到李宗仁曾写有一篇《焦土抗战》的文章，直到这个时候，张团长才领会到焦土抗战的涵义。在日军密集的炮火里，张宣武无法动身，只好从一个弹坑跳到另一个弹坑，绕着圈子前行。
身边的通信兵被炸死了，一个警卫员也倒下去了。不长的一段路，张宣武团长估摸大约走了半个小时，像蛤蟆一样跳来跳去。
日军很会打仗，在步兵冲锋的时候，炮火延伸射击，再配有飞机乌鸦一般在滕县城的上空飞行，疯狂地对地面进行低空扫射，以便隔断城内守军的联系和调动，让守军无法相互支援。这样各城门的守军只好各自为战，左右不能相帮，尾首不能相顾，被飞机、大炮分割成孤立的阵地。
战斗最激烈的地方仍然是东关。在十几辆坦克的掩护下，成百上千的日本兵作集团式冲锋。防守东关的是124师的740团，这是730旅的主力团。他们在付出沉重的代价后炸毁了日军的两辆坦克，毁坏的坦克堵住了后续的战车，而后全团集中火力打战车身后的步兵。双方全都杀红了眼，反复拼肉搏。全团伤亡惨重，日军也是尸体累累，战败出逃。
东关阵地依然在滕县守军手中。
在双方杀得难解难分的时候，日军用重炮猛轰东南城角。十几分钟的炮击后，东南城角轰开了一个缺口，七八辆坦克轰轰隆隆从缺口撞了进来。张宣武团长的第2连在这里防守，他们用密集的手榴弹炸毁敌坦克两辆，炸死敌步兵六七十人，一直打到最后一名战士倒下。
东南角出现了防守的空当。五六十名日本兵趁机钻了进来，冲上城角的城墙，占据了有利的位置。张团长的第1连在两挺机枪的掩护下，朝敌人猛打一阵子手榴弹后抡起大刀朝敌人乱砍一气，有的抱着日本兵从墙上滚下来，有的拉开手榴弹抱住敌兵，最后冲上城墙的日本兵被1连全歼。
英勇的第1连，只剩下14名战士，连长、副连长以下150人全都为国捐躯。
这是1938年3月16日20时的事情。
自清晨6时起，敌人以飞机、坦克和步兵向滕县东、南、北三方面进攻，经激烈战斗，日军多次深入进城，多次被国民党军守城部队歼灭、击退。战斗进行到正午12时，因敌人进攻受挫，他们中止进攻，重新调整，准备新的攻势。城内守军趁此间歇，也调整防御部署，救治伤员和补充弹药、食品，以迎接更为激烈的战斗。
滕县保卫战到了最危急的关头。
王铭章师长用电台紧急呼救，让孙震总司令快派援军，否则滕县不保。
孙震总司令回电说，汤军团第85军第4师接近滕县，他让王铭章坚持，援军立刻到达。
其实孙震总司令知道，在第五战区没有谁能调得动汤恩伯。就是李宗仁长官也得绕着圈子，把意见转到蒋介石那里。就在滕县保卫战打响之际，李宗仁还致电蒋介石，请派军事委员会直接控制豫东的汤恩伯第20军团第85军的第4师增援津浦路。经蒋介石同意后，李宗仁才电告汤恩伯，说日军大举进攻，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军第4师，由火车输送到滕县附近，作第22集团军的总预备队。汤恩伯一面致电蒋介石，请明确本军归辖系统，以明职责；另一面致电李宗仁，说干脆本军团全部调过去，避免分割零碎使用，作无代价消耗。汤恩伯明明知道全军团调过去不可能，故意说这个话，实际是不肯将所部转归别人指挥。当夜，蒋介石给汤恩伯发电令，令其85军立即准备乘车去临城，务于17日拂晓前到达临城集结完毕。
第20军团第85军第4师的先头部队在到达滕县以南的南沙河时，同向临城迂回的日军第63联队遭遇。汤恩伯立即电令主力转移，没有派部队增援滕县。虽说汤恩伯没有什么能耐，但他比较善于揣摩蒋介石的心态，他一眼就看出派到第五战区的全部是杂牌军。这为啥？心里都明白，汤恩伯在抗战时期表面文章做得十分到位，友邻部队同日军作战，打到一定份上的时候，你不让他出去都不成。但是现在不行，守卫在滕县的川军没有实力，在关键时刻没有反击的力量。他汤恩伯怕陷进去拔不出来。
汤恩伯就是这样一个角色。而这个角色，蒋介石又非常喜欢，用蒋介石的话说，愚蠢用着放心，所以汤恩伯后来一直是重军在握。
李宗仁的第五战区也有失误的地方，最起码是对前线的情况不够了解。3月16日，当滕县以北第45军阵地相继失守，第41军的122师已被围困在滕县城中，外围防线即将全线崩溃时，他们还在计划将进攻日军消灭于滕县以北，并下达了不切实际的作战命令。作战命令发出时，前线早就没有接受命令的部队了，可以说是个天大的笑话。
川军子弟急切盼望汤恩伯的增援，但王铭章师长并不知道汤恩伯没有派部队增援滕县，他还抱着希望，他对国民政府号召全民抗战抱有信心。
直到3月17日下午2时，王铭章师长等待援兵的希望才最终破灭。他向总司令长官发出最后一份电文，毅然地砸毁电台，率领警卫排去了十字街口，亲自指挥督战。
日军突破滕县城防，是下午2时左右的事。那个时候王铭章师长正在同总司令进行着电文往来。孙震总司令让滕县作最后的坚持时，滕县南城墙的正面，被日军以150毫升的榴弹重炮轰塌，12门大炮把南城墙夷为平地。在城墙工事里防守的百十名士兵，还没来得及下城墙，便同石头砖块一道坍塌下来。士兵的血肉与砖头交织在一起，惨不忍睹。
坍塌的城墙处处可以攀登，日军五六百步兵在10多辆坦克的掩护下蜂拥而至。124师730旅旅长吕康、副旅长汪朝廉亲临城墙根下指挥作战，一直抵抗到最后一人牺牲，日军方才全部占领滕县城南。
在日军攻占城南的同时，滕县东面再起危机。东关寨墙被敌人炸得犹如锯齿，沟沟壑壑已不成形，守军的阵地工事全部被摧毁。日军的18辆坦克横冲直闯，500多名日本兵更是张牙舞爪。124师740团王麟团长，在敌坦克的火炮中，率领战士同不可一世的日本兵大刀肉搏，被敌炮击中头部，同他一起中弹阵亡的还有团政训员胡清溪。
日军迅速扩大战果。他们从城东、城南朝西压迫过来。不多时，城西也被日军占领。于是，东南西三面之敌，集中火力向城中心十字街口王师长的临时指挥所进攻。王铭章师长率参谋人员和身边的警卫排从西北角登上城墙，并命令警卫排利用墙体作掩护进攻日军占领的西城门楼。就在接近西城门楼时，警卫排被日军六七挺重机枪猛烈扫射，全排无一生还。
王铭章师长十分焦急，他打算率参谋人员迂回去滕县火车站，同在那里坚持战斗的124师372旅会合。但是他们过不去，三个方向的轻、重机枪朝他们密集扫射。王铭章、赵渭宾参谋长、罗甲辛副官、少校参谋谢大埙和124师参谋长邹慕陶，以及随从人员十余人，同时为国捐躯。
这时候的滕县城内只剩下张宣武团长指挥的部队。他原本在滕县东门坚守，当日军占领城内其他地段时，有许多零星部队和散兵朝他靠拢。于是他便在东北城角组织一道防线，利用东面和北面的城墙阻挡日军。日军攻陷滕县大半个城镇后，开始清剿各处的残余抵抗部队。首先他们以平射炮的破甲弹轰击东城门墙，扫清守军依靠的东城墙这道掩体，然后再对张宣武的阵地发起进攻。
张宣武团长很有作战经验，他擅长防守，能打恶仗。对日军集团式冲锋，他布置了4挺重机枪的火力，注重杀伤敌人的步兵方阵。同时他让所有士兵投掷手榴弹，阻止日军向他们靠近，避免肉搏的消耗和伤亡。
守军士兵听说王铭章师长以身殉国的消息，个个悲痛之极，他们流着泪，咬着牙关，同日军拼搏。在滕县城内不时听到手榴弹的爆炸声，后来听跑过来的战士说，300多名重伤员，以王铭章师长为榜样，宁死也不当俘虏，不做亡国奴，于是他们互相以手榴弹自炸，全部壮烈牺牲。
天黑前，日军对张宣武的阵地发动了最后一次攻击，在这场战斗中，张团长和王志远旅长中弹负伤。战士们英勇无畏，又一次打退了敌人的冲锋。
占领滕县的日军没有再发起新的攻击。他们也许认为滕县已经占领，所剩下不多的残余部队组织不起反攻了，他们没有这个能量了。也许是太劳累了，连续几天几夜的进攻，日本兵不可能不疲惫。在天黑下来的时候，虽说城内枪声不断，但没有大的战斗了，从枪声判断，只不过三五成群或十几人的零星部队在继续战斗。
半夜，城北墙角的守军还有300多人。他们在副营长侯平和连长胡绍章的指挥下，扒开了已经封闭堵死的北城门，开始有组织地逐次掩护突围。后来他们才知道，还有一支突围的部队和伤员，在突围途中，遭到敌人炮兵火力的拦击被打死、打伤了很多人。200多名伤员和部队，在微山湖东岸的渡口等船时，因过度疲劳，全部睡着了。18日天亮时，突遭日本骑兵和战车的追剿，全部壮烈牺牲。
张团长右腿和双脚中弹，是被手下的官兵抬着跑出来的。士兵重情义，他们抬着团长和旅长，再苦再累都不放手。前面有1队侦察排开路，后面紧跟着300名战士、伤员。他们一直向南奔跑，最终安全抵达后方。
没有从滕县突围的零星人员和小股作战部队在城内不停地转悠，他们各自为战，彻夜枪声不停，搞得城里的日军不得安宁。直到3月18日中午，滕县才没有了枪炮声。
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天半的时间。坚守滕县的第41军122师自师长王铭章以下官兵伤亡5000余人，整个滕县化为灰烬，日军第10师团也受到沉重的打击，死伤达2000余人。