8时许，敌集中炮火向滕县东关、城内和西关火车站射击，同时，敌飞机10余架飞临滕县狂轰滥炸。
驻在西关的王铭章在敌轰炸开始后，通过电话询问情况，随后跑步进城，他判断东郊之敌即将大举进攻，大战迫在眉睫，便昭告全城官兵，“吾决心死守滕城，我和大家一道，城存与存，城亡与亡。”随后命令将南北城门堵死，东西城门暂留交通道路，也随时准备封闭。师部和直属部队也由西关移进城内。
日军自8时开始，持续炮击了两个小时，10时许停止射击，沉寂了约30分钟，突然集中炮火猛烈轰击东关南半部寨墙的突出部，掩护步兵进攻。
守城官兵毫不畏惧，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。下午2时，日军再向东关东北角猛攻；5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45军部队经过3天浴血奋战，伤亡过半。
16日午，正面阵地被敌突破。45军从滕县两侧撤退。当晚，41军124旅中途遇敌，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15、16日陆续到达临城，先头部队1个团刚下火车孙震以滕县情况紧急，令其前往增援。该团在南沙河遭到围攻滕县日军一部攻击，不支溃退，其他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，22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，滕县完全陷入日军包围之中。
汤恩怕不是张自忠，他是只机动本作战。王铭章一腔热血，却远没庞炳勋幸运。
矶谷自进入山东后，几乎未遇到顽强死守一点的中国军队。今日滕县碰上了硬钉子，大出意料。
16日夜，他下令调集精锐部队。配以数十辆装甲战车和大量炮兵，猛攻滕县。
17日晨6时，敌集中炮兵火力，猛烈轰击滕县城区，敌机20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，敌开始向东关突进，以10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，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1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40余人冲上城角，守军另遣1个连向突入之敌反击，经激烈肉搏，全歼突入之敌。
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。”
午后2时，日军以重炮猛轰南城墙下街道，同时，敌机20余架轰炸南关。随后，敌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，敌步兵在坦克掩护下突入东关。王铭章见城已四破而援军无望，发出了最后一电，表示：“决心死拼，以报国家。”
南城墙与东关失守后，王铭章义愤填膺，亲临城中心十字街指挥督战。敌军炮火集中狂轰西门城楼、西关、火车站等处，占领南城墙的日军继续用机枪火力掩护步兵从西南城席向西城墙守军进攻。王铭章再次下令一定固守西关和火车站，并部署兵力压制敌人向西城楼进攻。
下午5时，西城墙和西门城楼陷落，日军集中火力猛击城中心十字街口。王铭章除令城内各部队与敌巷战，死守西关待援外，亲自登上西北城墙，指挥作战，王铭章命令警卫连仅余的1个排，去夺取西门城楼，但是敌人火力太猛，全排壮烈牺牲。
此时，王铭章决心转移到西关火车站372旅，继续指挥守军与敌拼搏。当行至电灯公司附近时，西城楼敌军居高临下，一阵机枪射击，王铭章及其部属、随从共20余人，大部为国献身。王铭章代军长身中数弹，贯穿胸部，血流如注，但仍挺着身躯对部属说：“你们快同敌人拼去吧！不要管我！”最后在艰难的“中华民族万岁！”的呼喊声中，气绝身亡。
城中守军继续与敌人死拼，激战至黄昏，东门失守。
至此，日寇已占领了滕县东、南、西三面城墙，但西北、东北城角两个制高点和北城墙的守军仍在顽强抵抗，直至晚9时，该部二三百人从北门安全撤出。
这时，城中尚有一些零星部队继续与敌战斗，至18日中午，仍不时响起枪声，直至守军全部英勇牺牲。西关、火车站的守军，坚持战斗到18日夜，各方联络全部中断，遂决心转移。全城陷于敌手。
滕县，3天3夜悲壮空前的大血战，揭开了台儿庄战役的序幕。
滕县之战以巨大的牺牲阻滞了日寇南犯徐州，为鲁南会战赢得了宝贵的准备时间，为台儿庄大捷创造了有利条件，为保卫徐州、巩固武汉立下了不朽功勋。
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