軍情緊急，不容分說，王銘章顧不得千裏跋涉之苦之累，更顧不得休整喘口氣，在趙村車站，王銘章親自做戰前動員，他號召全體官兵要“受命不辱，臨危不苟，負傷不退，被俘不屈。”
10月24日，王銘章率部披星戴月，曉行夜宿，風塵仆仆趕到了娘子關西南側的東回村、西回村中間地帶，正巧與西犯的日軍第十四師團撞個正著，一場遭遇戰就此打響。經過兩個星期的作戰，四十一軍傷亡近半，為利於今後作戰，軍長孫震整編部隊，每旅兩個團並為一個團，122師兩個旅四個團縮編為兩個團。整編後，即開到平遙、張蘭一帶繼續與敵作戰。隨後，第二十二集團軍又奉調徐州、碭山一帶，以阻擊沿津浦路南下之敵。
1938年1月，蔣介石在開封召集軍事會議，處決了不戰而退的韓複榘。會後，第二十二集團軍總司令鄧錫侯調回四川，由第四十一軍軍長孫震代之，孫震報請以王銘章為四十一軍前敵總指揮，代現軍長指揮全軍。隨即，王銘章奉命防務津浦線北段之滕縣。
滕縣在春秋戰國時代曾為滕國之首都，地理位置重要，居津浦之正幹，為徐淮之屏障，王銘章以前敵總指揮指揮各部嚴加布防。
3月，日軍在鄒縣、兗州一線大量增兵，想一舉打通津浦鐵路，奪取徐州要地，敵磯穀、板垣師團，發精銳十萬之眾，向鄒縣、滕縣、臨沂進攻。此時，滕縣縣城內由王銘章統一指揮的部隊，包括滕縣縣長周同所率的地方保安團隊四百餘人，戰鬥兵力不足三千人，兵力如此薄弱，斷難抵抗優勢敵人的大舉進攻。但當時我各處友軍都正與日軍進行激戰，無法抽出大量兵力增援。
王銘章臨危受命，他抱著有敵無我，與敵人拚搏到底的決心，組織防禦部署，要求全體士兵為國家為民族不怕犧牲，奮勇殺敵，為保證我大軍作好戰略防禦全殲敵人，堅守滕縣戰略要點到最後一分鍾。他訓勉部下說：“以川軍薄弱之兵力，和窳敗之武器，擔當保衛徐州第一線之重任，力量之不足，是不言而喻的。但是我們身為軍人，衛國保民而犧牲，原為天職，隻有決心犧牲一切，才能完成任務，雖不剩一兵一卒，亦無怨尤，不如此無以對國家，更不足以贖川軍二十年內戰之罪愆。”
驚天地泣鬼神的滕縣保衛戰
3月14日，日軍機械化部隊在飛機、大炮、坦克火力的掩護下，猛撲我滕縣外圍北界河、北沙河、南沙河防線，與王銘章部展開激戰。王銘章臨危不懼，命令部下抱著必與敵人拚一死活的決心，以血肉之軀組成熱血長城，拚死抵抗日軍的滾滾鋼鐵洪流，陣地幾番被突破，又被王部組織敢死隊重新奪回，陣地前血流遍地，屍橫遍野。
戰至15日，日軍付出慘重傷亡代價後突破正麵防禦，繼續向界河一帶陣地猛攻；迂回至馮河、龍陽店一帶之日軍開始向守備滕縣東關的警戒部隊進攻。敵集中炮兵火力向滕縣東關、城內和西關火車站射擊。同時，敵飛機10餘架飛臨滕縣轟炸、掃射。坐鎮西關的王銘章在敵開始轟炸後，通過電話詢問各處情況，跑步進城，與同僚、部屬協商判斷東郊之敵即將大舉進攻，大戰迫在眉睫，作戰應變方案有兩個，一是死守孤城；二是出城機動作戰。會後，王銘章立即向集團軍孫震報告戰況，孫震答複說：“委員長來電話要我們死守滕縣，等待湯恩伯集團前來解圍，湯部的先頭部隊昨日已到臨城，其後續部隊亦正陸續趕到。你應確保滕縣以待援軍。如兵力不夠，可把城外所有的四十一軍部隊調回城內，固守待援！”
於此，死守待援已成定局。王銘章下定了決心，昭告全城官兵，“決心死守滕城，我和大家一道，城存與存，城亡與亡。”
16日拂曉，日軍萬餘人在其優勢火力的掩護下，向滕縣發起全麵進攻。整整一天，日軍在其飛機、大炮人力支持下前後發起5次進攻，每次均被將士們用數百枚手榴彈炸得狼狽逃竄、遺屍遍地，衝過缺口的少數日軍也被我部的大砍刀消滅。當日夜間，王銘章再次視察陣地，檢查傷亡情況，估計來日又是一場惡戰不可避免，且己方傷亡早已過半，便重新調整兵力部署，決定放棄外圍陣地，集中全部所屬部隊守衛城防。他還命令將南北城門堵死，東西城門暫留交通道路，也隨時準備封閉。師部和直屬部隊也由西關移進城內。他逐一嘉獎勉勵慰問英勇作戰的有功將士和傷員，並命令全軍深溝高壘，注意防空隱蔽，待機出擊。