韓複榘造成的爛攤子現在還得李宗仁來收拾，為了遲滯日軍的進攻速度，使中**隊能夠有時間在徐州附近布防，李宗仁命令孫桐萱擔任占領濟寧、汶上一帶的日軍為第10師團第39步兵聯隊，其中該聯隊在濟寧城有3000餘人的部隊，各種口徑的火炮就有20多門，另外還有10輛配屬給他們作戰的戰車。日軍每天都以千餘人的規模出城，對濟寧城的周邊村鎮進行掃蕩，其氣勢是相當的囂張。汶上之敵約有500人，他們到是挺老實的，分駐在城關戒備，對汶上防守的甚為嚴密。
孫桐萱命令在展書堂師對汶上展開攻擊後，孫桐萱就密切的關注著濟寧城的日軍。等他們向汶上先後派出1300多人的援兵後，孫桐萱即令中**隊的主動進攻讓嘰穀廉介很生氣，所以他決定親率第10師團主力，氣勢洶洶的向滕縣殺來。負責防守滕縣的是川軍孫震部，孫震命令川軍第122師死守滕縣，等待中央軍湯恩伯部前來增援。122師師長王銘章倉促上陣，手上隻有2個旅的兵力，於是他急令第366旅火速回援滕縣。可是該旅在回援途中與日軍遭遇，被阻於太平邑附近，僅有1個營的士兵殺出重圍，到達了滕縣。
黎明時分，日軍一支300多人的騎兵分隊到達滕縣東郊，驕橫的日軍騎兵首先向城東的警戒部隊發動了進攻。早上8時許，日軍騎兵退出了戰鬥，此戰日軍騎兵分隊損失慘重，再也沒有了那驕狂不可一世的勁頭了。當天中午，日軍第10師團主力趕到了滕縣，他們首先呼叫空軍支援，對滕縣進行了長達1個小時的轟炸。王銘章在日軍開始轟炸後，就通過電話向部下們詢問傷亡情況，要求各部必須死守陣地任何人在任何情況下都不準後撤一步，必須作到與陣地共存亡。王銘章知道敵人將全力進攻滕縣，這裏將成為自己為國捐軀的最終之地。他對部下們說道：“吾決心死守滕城，我和大家一道，城存與存，城亡吾亡。”隨後他下令將城門堵死，全師所有官兵全部進入城內，與日軍血戰到底。
日軍下午3點開始攻城，守城的川軍士兵毫不畏懼，沉著應戰，他們隱蔽在街道的兩側，借助民宅的掩護，堅決的阻擋著日軍的進攻。戰至天黑，122師已不足3000人了，守軍收縮了防線，集中力量堅守滕縣南城。就在滕縣陷於苦戰之時，援軍湯恩伯部的王仲廉師趕到臨城，其先頭部隊392團剛下火車，孫震就以滕縣軍情緊急，急令392團趕去增援，該團在滕縣城外的南沙河地區，遭到日軍的阻擊，經1個小時的激戰後便主動退出了戰鬥。等王仲廉率師主力到達後，得知滕縣正遭受日軍的圍攻後，便借口機動作戰，將部隊向滕縣南麵的山區開去，隨即王仲廉師虛晃一槍便掉頭開溜，致使滕縣完全陷入了日軍的包圍之中。
嘰穀廉介自從到達山東之後，幾乎未遇到任何敢於抵抗的中**隊。今日他在滕縣才遇到了這樣的軍隊，嘰穀廉介大感意外。等天亮以後，他下令調集精銳部隊，向滕縣的守軍發起了最後的攻擊。日軍以10輛戰車為先導，掩護步兵衝鋒。滕縣守軍冒著日軍戰車的炮火，近距離與日軍展開了殊死的搏鬥。經過一個上午浴血搏殺，日軍最終還是沒有拿下滕縣。趁著戰鬥的間歇，王銘章給孫震發了一封電報，他在電報上說道：“決心死拚！以報國家！”