鍾懷遠得報，令劉達領後十五軍前往救援，又在蘇州再建後十四軍令曾立昌代軍帥，劉達盡起蘇州後十五軍前營、左營，又到揚州會合中營共7000餘騎北上，十月二十二日，劉達的後十五軍馬隊到達滕縣東南。劉達救援心切，不待整頓既領軍向清軍撲去，欲擊潰當前清軍，與鍾懷山會合。不料僧格林沁知徐州太平軍必會來援，早有防備，此時圍困滕縣的都是綠營，將蒙古馬隊分開埋伏在滕縣四周，僅派5000馬隊分駐各綠營督戰。劉達未能及時洞察，直擊圍城清軍，那些綠營兵統軍將領早得僧格林沁嚴令，又有蒙古馬隊督戰隻得死命拚殺，雙方激戰正酣時，僧格林沁率馬隊從後殺上，三路合圍，後十五軍雖經劉達多時操練、奮勇拚殺但畢竟不如蒙古馬隊自小在馬上長大、刀馬嫻熟，首先新建的左營就抵擋不住，鍾懷山在城頭見劉達來援，也帶收攏守軍從城內殺出，雙方一場混戰，整整撕殺了三個時辰，死傷遍地，直到日落才各自收兵，鍾懷山後退五十裏紮營。此戰，太平軍後十七軍傷亡6000餘人，再加從鄒縣敗至滕縣傷亡2000人，後十七軍僅剩5000多人，三名師帥陣亡，劉達的後十五軍也傷亡4000人，從出揚州時的7000餘人減至3000餘人，前營、左營師帥當場戰死，兩軍旅帥僅剩十八人。清軍綠營傷亡上萬，蒙古馬隊也戰死近4000人，用極具優勢的兩萬蒙古馬隊加上兩萬綠營對戰太平軍7000騎兵、13000步卒僅取得如此戰果，僧格林沁心中也暗暗佩服江蘇太平軍的戰力，事後向鹹豐奏捷時也特意強調了這一點，提出要重點防範發逆偽烈王鍾懷遠部。鍾懷山見滕縣已被清軍重占，四麵清軍、團練都向這邊趕來，北上救援之路已堵，無奈之下隻得率殘軍回撤至徐州。
鍾懷遠得報援北失利，當即安置蘇州事宜，令曾立昌暫代為處理烈殿事務並加緊擴軍後，親率烈殿參護、親衛營前往徐州。到達徐州後，鍾懷遠立即召集後十五軍、後十七軍、後十八軍旅帥以上將領議事，以圖擊破僧格林沁的蒙古馬隊，再度北上救援。