忽報瀨穀支隊七千餘人進至滕縣北郊。孫震察看滕縣地形：東臨山亭，南接臨城，西瀕微山湖，唯北麵易攻難守。孫震將本部主力置於滕縣以北，令其愛將122師中將師長王銘章為41軍前敵總指揮。孫震囑道：“臨出川前，楊森主席曾告誡我等：我等過去打內戰，對不起國家民族，是極其恥辱的。今天的抗日戰爭是保土衛國，流血犧牲，這是我等軍人應盡的天職，我等川軍決不能辜負父老鄉親的期望，要灑盡熱血，為國爭光。願將軍將此語銘記於心。”王銘章慨然道：“孫長官但請放心，我等既為軍人，犧牲原為天職。現在隻有犧牲一切完成任務。雖不剩一兵一卒，亦無怨尤。不如此，則無以對國家。更不足以恕二十年川軍內戰之罪行。”孫震讚許，令其速行。
瀨穀支隊驟然攻擊國軍。王銘章率部奮力反擊。倭軍難以得逞，便晝夜不停炮擊城垣。川軍從未經曆如此戰況，慌亂不堪。城外陣地漸次被陷，眾軍退至城中，據城垣固守。
李宗仁得知滕縣危急，急令王銘章死守城垣，又令20集團軍湯恩伯部外圍迂回，擬將倭軍殲於滕縣以北。湯恩伯不以為意，按兵不動。李宗仁知湯恩伯桀驁，便電請蔣中正出麵。湯恩伯回電，言：本軍團東與昄本旅團作戰，西與瀨穀旅團作戰，腹背受敵兩麵作戰，死傷近萬，本部擬全力攻擊津浦線北段日軍，避免分割零碎使用。李宗仁無可奈何，唯詐稱湯援軍即到。孫震信以為真，嚴令王銘章死守。時川軍全聚孤城之中，遙望四野，盡是倭軍。湯恩伯部少許軍馬進至南沙河及官橋一帶，離滕縣十幾公裏。前鋒將佐見倭軍勢大，未敢援一兵一卒，乃作壁上觀。
倭軍全力攻擊城垣，東南角城牆塌陷數處。王銘章死戰不退，令軍死堵缺口。倭軍突入城中，與國軍巷戰。倭軍後續部隊源源不斷從東關、南城牆、西門突入城中。王銘章率殘部死守西關車站。忽王銘章中彈，趔趄倒地。眾皆救護。王銘章痛苦異常，含淚道：“川中子弟此戰已為川中父老爭臉。去歲出川抗戰時，弟兄們每人兩件單衣、一雙草鞋。步行一千多公裏，沿川陝公路開赴抗日前線。今又輾轉至此，滕縣乃我等歸宿之處！”又電報孫震雲：“獨立山方麵本日無友軍槍聲，想係被敵阻止，目前敵用野炮飛機，從晨至午不斷猛轟，城牆缺口數處，敵步兵屢登城屢被擊退，職意委座成仁之訓，開封麵諭嘉慰之詞，決以死拚，以報國家，以報知遇。謹呈王銘章叩！”時王銘章傷勢愈重，屬下灌之以白藥，王銘章血流如注，不能下咽。眾軍圍著痛哭。王銘章道：“你們去吧，繼續與敵拚命，不要管我，我死在這裏很痛快！中華民族萬歲！”遂身亡。騰縣縣長周同聞王銘章殉國，悲痛道：“抗戰以來，隻有殉土的將領，沒有殉職的地方官，我要做第一個為國犧牲的地方官。”言訖墜城自盡。城中三百餘重傷兵，為不落入敵手，互以手榴彈自炸，皆亡。二百餘突出重圍。王銘章部傷亡五千餘人；第45軍，陳離以下，死傷五千餘人。界河、龍山、南北沙河等處，盡是死屍。滕縣幾成白地。倭軍死傷兩千餘人。孫震聽聞王銘章陣亡，不勝淒傷，麵西大哭：“川中父老，之鍾死矣！”蔣中正聞知其情，傷感道：“之鍾乃忠烈之士也！”