1938年3月16日這一天，滕縣東關、城內和西關火車站，共落敵炮彈約萬發。從東城門內張宣武團部到東關嚴翊營部，不到一里路的一段電話線，就被炸斷25次之多。接連不斷飛至滕縣轟炸的敵機，最多的一批有18架，真是遮天蔽日。守城的艱難，可想而知。

龍陽、馮河的日軍進攻滕縣東關的同時，城北四五十里處的當面之敵，愈加強對龍山、普陽山一帶的攻勢。守衛陣地的第四十五軍，已浴血奮戰3天，傷亡過半。而且，與滕縣的交通、通訊全被截斷，正面陣地逐漸被敵突破。

縣城西北石墻一線的日軍，繼續向守衛深井、池頭鎮一線的呂康、曾蘇元兩個旅的陣地猛攻。又經過一日的殘酷戰斗，呂、曾兩旅逐漸退守大塢、小塢。

根據眼前情況，王銘章與孫震通電話商議，決定放棄滕縣外衛陣地，把第四十一軍所屬部隊抽回兩個多團的兵力，守城待援。

晚8時，不慣夜戰的日軍停止進擊，槍炮聲歇，雙方停止了戰斗。王銘章師長走到東門內路北、設在一家山貨鋪里的張宣武團的指揮所，鼓勵張宣武說：“張團長，你和嚴營長太辛苦了。想不到我們只這點子人，竟能撐持一整天，而且擊斃二三百名日軍。明天我要拍電報直接給蔣委員長，為你們兩個請獎。”

張宣武說：“這主要是士兵們勇敢作戰，我們的損失相當慘重啊！”

王銘章來到之前，張宣武在與嚴翊通電話，檢查各戰斗連傷亡士兵人數，正為犧牲的壯士們難過。當然，王銘章心里也十分沉痛。但作為四十一軍的總指揮，他還必須著眼仍在繼續進行著的這場戰斗。他安慰張宣武說：

“在我們的前邊倒下去的官兵，我們永遠記住他們，等抗戰勝利我們回川之后，一個個為他們立碑紀念。但目前，我們活著的仍需浴血奮戰，固守滕城。”

接著，王銘章將往城內調兵的計劃告訴張宣武，并堅定地說：“我們明天再堅持一天，湯恩伯第二十軍團就能來到解圍。”

當晚，呂康、曾蘇元兩旅先后從大塢、小塢一帶脫離敵人，夜10時之后繼續進城。張宣武第七二七團在洪町、高廟和北沙河一帶的兩個營，也奉令來到滕縣城內。王銘章立即召集各部長官，重新調整部署城內防務。他令呂康第三七○旅第三四?團團長王麟，率兩個營的兵力，赴東關接替嚴翊營的防務；張宣武第七二七團附嚴翊營所遺兵力，作東、北兩面城防；呂康旅第七四○團之一營，及第四十一軍特務營，由呂康旅長指揮，擔任西、南兩面防務；曾蘇元旅第七四三團為總預備隊，并以一部守衛南關、西關及火車站。

部署調整后，各部隊不顧疲勞，拼命搶修工事，直忙到17日天亮。

從龍陽、馮河攻打滕縣城的瀨谷旅團，一向是日軍第十師團長磯谷廉介的得意先鋒，攻城一日未克，使磯谷大吃一驚。這時，他才悟出滕縣守軍絕不是他想象中的不堪一擊的“雜牌軍”。為了迅速攻下滕縣，16日夜間，磯谷調集3萬多人的兵力，大炮70余門，坦克四五十輛，向滕縣城關東、南、北三面猛攻。

17日6時許，磯谷這個戰爭妖魔發瘋了。在他指揮下，日軍以五六十門山炮、野炮對準滕縣縣城一齊發射，20余架飛機臨空盤旋投彈。炮彈、炸彈如傾盆大雨，整個縣城一時墻倒屋塌，硝煙彌漫。當敵開始射擊時，張宣武團長還在西門內王銘章師部指揮所研究守城問題，等他乘炮轟間隙返回東門內團部時，已找不到東、西大街的街道了。滿街皆是一堆堆的碎磚瓦礫，石板路被炸成一個個深坑，全城一片火海，遍地都是焦土狼煙。

狂轟濫炸，持續2小時之久。之后，日軍步兵在大炮、坦克掩護下，又開始向東關寨垣和城東南角展開攻勢。但日軍屢次深入，屢次被守軍擊退、殲滅。戰斗至正午時分，日軍突然停止攻擊，處于整頓態勢；王銘章令守城士兵也趁此間隙時間，調整防御部署，以迎接更為劇烈的戰斗。

下午2時，日軍整頓態勢之后，突然以12門榴彈重炮對準南城墻的正面猛轟，20余架飛機也飛至南關上空集中轟炸。守衛南關的士兵，因16日深夜才由大塢轉移至此，只有簡單的掩蔽工事，而無堅固的防空設施，兩個連的士兵在很短的時間內被炸死、炸傷半數以上，余者無法存身，轉移西關車站附近。守衛南城墻的蔡鉦營，突遭重炮轟擊，城墻被毀倒塌，守兵血肉與磚石并飛。日軍五六百人，在10余輛坦克掩護下撲來。呂康旅長在南城墻督戰，頭部、胸部遭受重傷。下午3時半，敵占南城墻，守南城墻士兵拼搏殆盡。

日軍攻占南城墻之時，對東關垣寨再次發起猛烈轟炸。寨墻被重炮轟得豁豁牙牙，守軍陣地工事全部被毀。隨之，一股五六百名日軍在炮火掩護下突入東關，團長王麟率部奮戰，被敵炮擊中頭部，因傷重身亡。東關守軍無所憑藉，在與敵短兵相接的搏斗中，大部都壯烈犧牲。

敵占居南城墻和突破東關之后，王銘章師長在城中心的十字街口督戰。他不時地翹首南望，盼望援軍從臨城而來。

突然，從城南南沙河一帶，傳來震天價響的槍炮聲，王銘章高喊一聲：“我們的援軍到了！”

守城的官兵們一聽，精神大振，遂在王銘章率領下，向已占據南城墻的日軍進擊，南城墻上的日軍一陣慌亂。

然而為時不久，南沙河一帶的槍聲漸稀。

原來湯恩伯大軍還未來到臨城，先到的王仲廉軍長因湯總司令未到不敢擅自出兵。孫震再三央求，并致電請李宗仁下令，王仲廉才派出一個旅的兵力救援滕縣。但行至滕縣城南的南沙河，受到日軍阻擊，王仲廉所派援軍寡不敵眾，被迫后撤。

此時，在第五戰區指揮部里，李宗仁手握一支紅藍鉛筆，目視著作戰地圖，全神貫注，他心里也是一個激烈拼搏著的戰場。

突然，一位專職探詢滕縣戰況的侍從放下電話，向李宗仁報告：“增援滕縣的王仲廉軍，在南沙河一帶受日軍阻擊，被迫撤退。”

“叭”地一聲，李宗仁手中的鉛筆折斷了。只見他眼里涌著無可奈何的淚水，嘆道：“湯恩伯啊湯恩伯，你虛有國軍精華之名。若你率部早到一日，固守滕縣的王銘章也不會是目前這樣的處境。”

聽到南沙河方面的槍聲漸息，王銘章心情開始沉重，料想援軍無望，只有率領殘部，死守死拚了。然而，此時日軍的炮火，已將他在城中的部屬轟擊得七零八散。占領東關的日軍，又攻破東門，將張宣武所率領的一部分士兵，逼在城內東北角，與王銘章已失去聯絡。守衛北城墻的第七二七團第二營的士兵，也被日軍的火力封鎖。占領南城墻的日軍，見背后南沙河一帶無患，便兵分兩路，一部向西攻西城墻，一部張牙舞爪，向著城中心猛撲。

居于城中心十字街口指揮戰斗的王銘章，此刻身邊只剩一個排的師部特務連的士兵和一些師指揮部的隨從人員。副官長羅甲辛見情況緊急，走到王銘章跟前說：“師長，下令撤吧，不然我們將要全軍覆沒！”

王銘章雙眉緊鎖，環顧四下那些滿身血污、但仍裹在炮火硝煙里的士兵，他這個熊腰虎背，被譽為川軍虎將的將軍，此時也忍不住熱淚盈眶。

“撤吧，師長！”羅甲辛又懇求道，“保存我們一點力量，不愁沒有殺鬼子的機會。”

王銘章搖了搖頭。雖然他極不忍心將與自己多年生死與共、相依為命的士兵都殉葬于敵人的炮火之中，也曾想率部撤離重圍，尋機再與敵人拚搏。但是，固守滕縣是五戰區司令長官李宗仁的命令，如今敵人入城已是自己失職，怎能再為顧全生命而下令撤出火線呢！

“弟兄們，”王銘章忽然大聲地向他身邊的官兵們喊道：“我們出川時，曾向父老鄉親發誓：‘寧做戰死鬼，不做亡國奴！’現在到了我們以鮮血和生命報效國家的時候了，面對敵人，我們只有前進，決不能后退。弟兄們，沖呀！”

說罷，王銘章師長揮動戰刀，率先向撲面而來的日軍殺出。他身邊的隨從與士兵，也都奮力向敵人反擊。在滕縣城內的十字街口，雙方展開了一場激烈的肉搏戰。王銘章和他的隨從士兵，殺退了日軍的幾次沖鋒，使其遺尸遍地。但幾經拼搏，王銘章身邊的隨從和士兵，也一個接一個地倒在了血泊里，只剩下十幾個人。趁敵人沖鋒間隙，王銘章率領這十幾個人，想沖向城西北角，與北城墻上的守軍連成一線。但他們剛走進西城門邊通向城墻的斜道時，突然從西城門門樓上射下來一陣雨點般的槍彈。

原來日軍已占領了西城墻，西城門樓里的守軍全部陣亡，被日軍取代。隨著這一陣槍彈聲響，王銘章和他的參謀長趙渭賓、副官長羅甲辛及士兵十余人，同時為國捐軀。

當敵人這陣突如其來的彈雨射來時，衛士李少昆躍身去掩護王銘章，王銘章卻以他高大的身軀，嚴嚴地遮護住了李少昆。幸免于死的李少昆后來十分痛心地說：“在生死關頭，我這個衛士沒有保護好師長，而是師長保護了我。”

此時，夕陽落山，照在滕縣城里的余暉，被王銘章和他的將士們的鮮血染得血紅。

入夜之后，被逼在城東北角的張宣武團長和他身邊的幾十個士兵，大都遍體鱗傷。張宣武的右腿和雙腳中彈，已難以行走。趁著夜色，張宣武被幾個士兵攙扶著，悄悄脫離敵人，與守衛北城墻的第三營士兵合攏。

夜9時，眼看守城無望，二三百名士兵在副營長侯子平、連長胡紹章等指揮下，扒開已堵死的北城門，有組織地突出城垣。北面圍城之敵，遠離北關2里之外，沒有發現。而東、西城墻之敵，因為是在夜間，只以火力追擊，未敢下城追趕，這二三百突出城圍的官兵得以生還。

但在城內，還有人自為戰，與大部隊失掉聯系的零星部隊，未能突圍。他們徹夜槍聲未斷地與敵對抗，生命不息，戰斗不止，直至18日午前。

日軍初包圍滕縣城時，只有西門可與外通行。在戰斗中從西門出城的傷員，同一支掩護部隊共300余人，于17日夜半行至微山湖東岸渡口候船時，遭到日軍包圍。他們不愿做敵俘虜，又無能力突出重圍，互以手榴彈爆炸身亡。

日軍占領滕縣后，磯谷廉介曾騎著戰馬到滿目焦土和余燼的滕縣縣城巡視。他并沒有為攻城得勝而驕狂，而是心情沉重，反復思索：這支號稱“雜牌軍”的中國部隊，為何這樣頑強？當然，這是磯谷無論怎樣思索也想不通的事情。

滕縣之役，第四十一軍守城部隊，自一二二師師長王銘章之下，傷亡5000余人；在界河、龍山一線作戰的四十五軍，自一二七師師長陳離之下，傷亡亦四五千人。他們以全師覆沒的代價，堅守三四天，斃數2000余人，使日軍磯谷師團受到沉重的打擊，也為孫連仲第二集團軍和湯恩伯第二十軍團在臺兒莊一帶的集結和部署，贏得了寶貴的時間。

是年3月22日，中共《新華日報》以極為悲壯的語言，報導了滕縣戰役的經過，高度贊揚了“王師長等壯烈殉國，壯士三百寧死不屈”的精神。

國民政府為表彰一二二師在滕縣英勇殺敵的事跡，特為該師立碑記功，并追授王銘章陸軍上將軍銜。王銘章的靈柩經武漢、重慶、成都運回他的家鄉時，沿途民眾紛紛舉行悼念、祭奠活動。

在武漢，蔣介石率軍、政官員參加悼念儀式。悼念大廳莊嚴肅穆，蔣介石和軍、政官員們神情莊重地在王銘章靈前鞠躬、默哀。

中共中央也派代表來參加悼念會。中共領導人毛澤東、秦邦憲等敬獻的挽聯，擺放在王銘章的靈前。挽聯上書寫著：

“奮戰守孤城，視死如歸，是革命軍人本色；決心殲頑敵，以身殉國，為中華民族增光。”

悼念會上，蔣介石發表講話，號召全軍將士以王銘章為楷模，不惜殺身成仁，堅決抗戰到底。