他們先後從大塢、小塢一帶脫離日軍，下午4點左右，王麟團行抵滕縣近郊約十裏處，已聞日軍炮聲隆隆。日軍也發現了這支急行軍的部隊，從南沙河方向用炮兵猛烈向王麟團阻擊射擊。但是，該團因任務緊急，顧不得全團暴露，仍以疏散隊形，盡速開往滕縣西部待命。到達時已是黃昏，日軍的炮聲也漸漸平息，呂康和王麟奉命進城接受任務。王銘章對他們作了如下指示：
第一，兩天來，日軍猛烈攻城，預料明天必將繼續。我兩師奉命死守，以待湯恩伯軍團到達時，即行出擊，必能勝利地完成任務。第二，第七四零團即刻接替東門內外第一二二師部隊的防守任務，將該部換下作預備隊。第三，曾甦元旅擔任維護從西門到後方的交通聯絡任務，並加緊構築防禦工事。
王麟團立即派出雷迅營和康平營乘夜到東門內外接替，而以陳洪剛營作團預備隊，位置在東門城內。團指揮部設在東門內城門洞下。此時城內外官兵聽說明日即有湯恩伯軍團增援前來，士氣非常振奮。
晚上9點左右，王銘章約張宣武到他的指揮所詳細詢問戰況。張宣武一進門，王銘章就握著他的手說：“張團長，你太辛苦了。想不到我們隻這一點點子人，竟能撐持一整天，你真有辦法！”
張宣武說：“這主要是士兵的勇敢和嚴營長的出力。”
王銘章說：“嚴營長是勇敢善戰，你是指揮有方，明天我將直接打電報給委員長為你們兩位請獎。”接著又說：“能把今天撐持過去就不要緊了，我們在城外的部隊馬上都要調到城裏來，他們正在行動中，大約一兩個鍾頭之後即可來到。”
看起來，王銘章這時很樂觀。
張宣武問：“調進城來的有哪些部隊？”
王銘章說：“呂、曾兩旅的兩個團和你那個團的兩個營，都有把握來到，隻是童旅在路上可能要麻煩。今天我們不足一個團就能撐持一天，明天我們增加兩三個團，還怕什麼？如果把明天再撐持過去，湯軍團的援軍就可來解圍了。”
當晚，在洪町、高廟和北沙河一帶的張宣武第七二七團的第一營和第二營，也在這時來到城內。隻有在平邑的童澄旅（欠嚴翊營），途經城前時被日軍阻擋，被迫繞道向臨城方向退去。
由於城外的部隊到達城內，當夜守軍重新調整了部署。稅梯青師呂康旅王麟團，接替東關王銘章師童澄旅王文振團第一營的防務。王銘章師王誌遠旅張宣武團仍附王文振團第一營擔任東南城角（含）至西北城角（不含）的東、北兩麵城防，並以一部守衛北關。王麟團的蔡鉦營及第四十一軍劉止戎特務營（欠一個連）擔任西北城角（含）至東南城角（不含）的西、南兩麵城防，由呂康指揮。稅梯青師曾甦元旅劉公台團為總預備隊，並以一部守衛南關、西關及火車站。
城內儲備的糧彈相當充足，當夜各部隊都得到了充分的補充。部署調整後，各部隊不顧疲勞地拚命搶修工事，挖防空洞，還綁捆雲梯。這是因為滕縣城牆高而且陡，城內登上城牆的道路，隻是每座城門的旁邊有一條，當日機投彈、掃射和炮火轟炸時，守城部隊為避免和減少傷亡，城上隻留少數了望哨，其餘都在城牆腳下的防空洞內隱蔽和休息，待日軍衝鋒爬城時，再迅速登城抵抗。若隻靠城門旁邊那一條道路，則容易誤事。因此，規定守城部隊每一個班至少都要有一架雲梯，用來迅速登上城牆。各部隊還打開了裝手榴彈的箱子，揭開了手榴彈的蓋子。全體官兵一直忙到17日天亮，沒有休息片刻。
王銘章中彈倒地，仍在疾呼：“抵住，抵住，死守滕縣！”
川軍部隊在前方鏖戰，後方的第五戰區司令長官部也是一片忙碌。李宗仁考慮到孫震集團軍在滕縣的守備任務十分艱巨，而且兵力不足，早在14日日軍開始進攻時，就曾致電蔣介石，請派軍事委員會直接控製於豫東的湯恩伯軍團王仲廉軍第四師增援津浦路。經同意後，李宗仁立即電告湯恩伯：
敵於津浦北正麵增加兵力，大舉反攻，以牽製我魯南之作戰，鄧部兵少械劣，正麵薄弱，兩翼空虛，恐難拒敵，已電呈委座調貴軍團八十五軍駐商丘之一整師，由火車輸送至滕縣附近，作第二十二集團軍之總預備隊。
湯恩伯的反應是，分別給蔣介石和李宗仁拍發了電報。他給蔣介石的電報是：
懇明定本軍歸轄係統，以明職責。
他給李宗仁的電報是：
懇將本軍團全部調津浦北段出擊，避免分割零碎使用，以益戰局而杜分散，或作無代價之消耗。
湯恩伯真實的意圖，是不想把自己的部隊交給別人指揮。當夜9點鍾，蔣介石給他發來電令：
八十五軍即晚準備由商丘乘車經徐州向臨城輸送，務於17日拂曉前到達臨城集結完畢。
蔣介石同意關麟征第五十二軍也隨後東調，雖然隸屬於第五戰區，但全軍團仍待湯恩伯“到徐州指揮”。湯恩伯這才複電李宗仁，答應命令第四師出發。
15日11時，李宗仁又電告湯恩伯：“鐵道正麵敵已突破界河陣地，進入二十裏鋪附近”，要他速令第四師“先頭一部開往滕縣附近，增加第二十二集團軍正麵之抗戰”，同時要求王仲廉軍“主力集結臨城東北地區待機出擊”。
16日，滕縣以北第四十五軍陣地相繼失守，第四十一軍王銘章師已被圍困在滕縣城內，前線形勢已極端惡化。這時候，第五戰區還在計劃將進攻的日軍消滅於滕縣以北。當天下午4點下達的作戰命令，主要內容為：
(1)敵為牽製我魯南之攻擊，現集中濟南以南之兵力，由鐵路正麵向我第二十二集團軍猛攻中。
(2)戰區為擊攘沿津浦線南下之敵，從鐵道東側包圍該敵，將其聚殲於鄒縣以南地區。
(3)第二十二集團軍應在現地極力拒止敵人，俟第八十五軍迂回成功後，轉為攻勢，以收前後夾擊之效。
(4)第八十五軍除一部直接支援第二十二集團軍鞏固滕縣城防外，主力由鐵道以東地區向下看埠、鄒縣間迂擊敵人，到達鄒縣南方高地附近後，相機向南與二十二集團軍夾擊兩下店以南之敵而聚殲之。在迂回運動間，須派出極有力之右側支隊警戒前進。
(5)第三集團軍應全線對當麵之敵反攻，並以有力部隊由濟寧以北地區向兗州以北攻擊前進，努力截斷敵之歸路並阻止其增援。
王仲廉軍第四師的一個團，剛下火車，孫震就告訴他們滕縣情況緊急，命令他們及時前往增援。該團在到達滕縣以南的南沙河時，與向臨城迂回的日軍福榮真平第六十三聯隊先頭部隊遭遇。在日軍以坦克為前導的攻擊下，該團招架不住，向後撤退。其他部隊僅在南沙河後警戒，不敢從正麵攻擊前進，以解滕縣之圍。當王仲廉軍的軍部到達後，湯恩伯抱定“避免臨城決戰”的方針，急令王仲廉軍以“第八十九師舒旅占領臨城、官橋正麵”，“主力向東西集山、鳳凰莊一帶集結”。王仲廉知道滕縣正受強敵攻擊，便將部隊迂回向滕縣東北嶧山以東地區開去。這樣，孫震集團軍急切盼望湯恩伯軍團的先頭部隊第八十五師增援的希望化為泡影。
由於增援滕縣的援軍未能及時派出，南沙河的日軍向前推進，孫震集團軍總司令部隨屬的少數兵力，無法抵抗，總司令部便後撤到運河以南的利國驛。17日早晨，日軍福榮第六十三聯隊開始向官橋進攻，當天下午，日軍攻占了臨城。這樣一來，滕縣守軍的壓力驟增，形勢急劇惡化，滕城完全陷入日軍四麵包圍之中。
16日夜晚，在滕縣守軍積極備戰的同時，日軍第十師團指揮官磯穀廉介見日軍在界河、龍山、普陽山及滕縣城關一帶碰了硬釘子，傷亡慘重，猛攻一整天而沒能得手，便連夜調集重兵，加上大炮七十多門，戰車四五十輛，準備在17日向滕縣城關東、南、北三麵猛攻。
守軍收聽到日軍的前線廣播，知道日軍已經了解到防守滕縣的是川軍部隊，裝備很差。日軍想不通為什麼圍城兩天，還沒有得逞，很有些惱羞成怒的味道。
17日早晨6點左右，日軍以五六十門山炮和野炮向縣城猛轟，二十多架日軍飛機瘋狂地投彈掃射，炮彈、炸彈如傾盆大雨，整個滕縣縣城除城關一隅因係美國教堂所在地外，頓時火光衝天，硝煙彌漫，爆炸之聲震天撼地。牆倒房塌，破壞之慘，實屬罕見。
日軍開始轟炸時，張宣武正在西門內王誌遠旅旅部研究守城問題。當他乘炮轟間隙返回東門內團部的時候，竟然找不到東、西大街的街道了，滿街都被倒塌的建築物堆成了一個個小山丘，石板路被炸成一個個深坑，全城一片火海，遍地都成焦土。這時候，張宣武才領會到“焦土抗戰”的涵義。
這樣連續轟炸了兩個多小時後，日軍步兵開始向東關進攻。日軍以十多輛坦克為先導，掩護步兵向東寨牆轟開的缺口衝鋒，同時以炮火分向東關全線和城內施行遮斷射擊，以牽製中國守軍的臨時調動和中國軍隊後線的增援。日軍的飛機更是如烏鴉一般滿天飛，瘋狂地進行低空掃射。防守東關的第七四零團團長王麟率領兩個營死守東關，憑借簡單的工事，用機槍、步槍和手榴彈殺傷日軍。城牆上兄弟部隊的幾門迫擊炮對他們頗有幫助。他們冒著猛烈的炮火，在近距離與日軍展開殊死搏鬥，雙方都是傷亡慘重，遺屍累累。
王麟和副團長何煋榮出東門督戰時，眼看部隊已經不支。王麟命令何煋榮立即回城，將陳洪剛營及臨時配備的一個重機槍連帶出城，一並增加前線，並嚴令各營不得後退一步，形勢才稍微穩定下來。但這時日軍的炮彈如雨點一樣落在城東南門，特別以東門城樓為目標，因此遍街瓦礫，硝煙彌漫，城牆多處坍塌，守軍死傷累累。傳令兵冒著炮火給團長送來的飯菜，滿蓋塵土，簡直無法下咽，其炮火之猛烈可見一斑。
日軍在進攻東關的同時，也向東南城角發起攻擊。他們先用猛烈的炮火猛轟城牆，持續大約二十分鍾，轟開一個缺口，接著是七八輛坦克車掩護一百多名步兵衝鋒。張宣武團的第二連在這裏防守，用手榴彈炸毀了日軍的兩輛坦克，炸死日軍五六十名步兵。第二營營長王承裕立即命令營預備隊翟紹先第一連反攻突入的日軍。翟紹先連在僅有的兩挺輕機槍火力掩護下向日軍猛撲，一陣手榴彈投擲之後，接著就掄起大刀猛砍。一場白刃交手戰後，突入的日軍全部被殲。翟紹先連一百五十人，隻剩下十四名官兵。第二連連長張荃馨、副連長賀吉倉以下，全部為國捐軀了。
激烈的戰鬥一直進行到中午12點。日軍的屢次進攻都被中國軍隊擊退，攻勢受挫，被迫中止進攻，整頓態勢，準備新的進攻。此時，王銘章再次給孫震發出急電，報告戰況：
敵以炮兵猛轟我城內，及東南城牆，東門附近又衝毀數段，敵兵登城，經我反擊，斃敵無數，已將其擊退，若友軍深夜再無消息，則孤城危矣。
下午2時，日軍用十二門十五厘米的榴彈重炮，猛轟南城牆的正麵，同時日軍飛機二三十架集中轟炸南關。守備南關的稅梯青師曾甦元旅劉公台第七四三團兩個連隊，因昨天深夜才從大塢趕到滕縣，匆忙布防，僅築了一些臨時掩體，沒有堅固的防空設施，以致在很短的時間內便被炸死炸傷半數以上，剩餘部隊被迫向西關車站附近轉移。南城牆被日軍重炮轟擊一個多小時，城牆被毀倒塌，幾乎夷為平地，處處可以攀登。防守南城的王麟團蔡鉦營，突遭重炮猛烈轟擊，城牆的殘垣斷壁和磚石上沾滿了戰士們的血肉。
日軍停止炮火轟擊後，五六百名日軍在十多輛坦克掩護下，猛撲南城。第三七零旅旅長呂康和副旅長汪朝廉親臨城牆根指揮督戰，但是守軍死傷殆盡。下午3時半，日軍占領了南城牆。呂康和汪朝廉都負重傷。王銘章急向孫震報告：
獨立山友軍今日仍無槍聲，想係被敵所阻，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，斃敵甚多，職憶委座成仁之訓，及開封麵諭嘉慰之詞，決心死拚，以報國家，以報知遇。
正在這時，日軍對東關再次發起更猛烈的炮擊，寨牆被炮彈炸得猶如鋸齒，多處倒塌，工事全被摧毀。東關守軍失去憑借，死傷愈來愈多，同時手榴彈已經用盡，難以再戰。
在日軍占領南城牆之後不久，東麵又有五六百名日軍步兵在十多輛坦克掩護下突入東關。下午3點左右，城門洞已呈完全崩塌之勢。王麟與何煋榮正在秘密商議暫時轉移指揮位置，突然營長雷迅冒著炮彈跑來報告：前線已經崩潰。王麟與何煋榮不顧一切衝出城去，希望最後支撐危局，這時一個炮彈飛到他們近處爆炸，彈片打在王麟頭部，他立刻倒地不起。何煋榮立即轉身，在掩蔽處呼喚隨身的幾名衛士把王麟抬下去，自己一個人跑去向王銘章和稅梯青報告當前危急的情況。
王銘章聽了何煋榮的報告，態度極為鎮定。但他看見何煋榮滿臉的煙塵，又看見王麟被抬進了師部，便知道情況十分險惡，可以說是到了千鈞一發的時候。他立即召集師長和旅長到地下室開會，稅梯青命令師參謀長鄒慕陶接替王麟任團長，可是鄒慕陶不敢受命於危難之際，隻好又任命何煋榮為團長。
稅梯青命令何煋榮挑選八名精兵，到夜晚將王麟抬到後方搶救。但是，衛士們還未將王麟抬出西門，王麟即因傷重致死。那一天，該團少校政訓員胡清溪和少校軍醫主任王某也中彈陣亡。該團傷亡官兵七百多人。
當軍官們正在開會時，城外王麟團的三個營已全部崩潰，城內外完全隔斷。何煋榮身邊隻有衛士及團部一個通信排。日軍從倒塌處突上城牆，迅速向東、西城牆擴大戰果。守軍殘部從西門退到西關車站。日軍炮兵又集中火力猛轟西門城樓，西城牆南半部的守軍死傷太大，日軍在下午5點占領了西門和西門以南的城垣。僅餘城內、北門及東北城角的守軍仍在繼續抗擊。
此時天色已暮，王銘章和軍官們得知日軍已突入城關，還不見增援部隊趕到，準備竭盡全力再堅持一時，入夜後敞開西門陸續向南撤退。雖然下了決心，但還未作出具體的布置。這時，張宣武進來報告：“敵人已經進城了！”
當時兩個師部及縣政府人員都集合在一起，聽到情況緊迫，軍官們連忙出去指揮各自的部隊。王銘章向孫震發出最後的電報：
17日晚，我援軍尚未到，敵大部隊衝入城，即督所留部隊，與敵作最後血戰。
電報發出，王銘章下令把電台砸毀，來到縣城中心十字街口，指揮所部繼續與日軍作戰。何煋榮也隨王銘章來到街口，麵對東門，督促身邊的少數士兵，依托街道兩側沙袋向日軍射擊。日軍攻入南城和西城後，集中火力向城中心十字街口射擊。王銘章及其幕僚、隨從無法在市街內存身，便從西北角登上城牆，命令身邊僅剩的特務連一個排從西北城角進攻西門城樓。因日軍火力猛烈，城牆上毫無掩蔽，該排全部陣亡。
西城門樓的日軍繼續向北壓迫，王銘章這時已沒有兵力阻擋。他決定到西關車站指揮稅梯青師的曾甦元旅繼續抵抗，於是縋城出去。當他走到西關電燈廠附近，遭到西門城樓的日軍密集火力射擊，王銘章不幸腹部中彈，趔趄倒地，隨從們忙扶他起來，他疾呼：“抵住，抵住，死守滕縣！”這時又一陣密集的槍彈掃來，王銘章又一次負傷。他見大勢已去，危城難守，自己已負傷數處，不能行動，便高呼：“中華民國萬歲，抗戰到底！”即用手槍，飲彈殉城。他的參謀長趙渭賓、副官長羅甲辛、少校參謀謝大壎、稅梯青師參謀長鄒慕陶及隨從十多人，也都同時為國捐軀。隻有王銘章的衛士李少昆等二人幸免於死。
滕縣縣長周同聽說王銘章殉難，急忙從城北趕來，撫摸著王銘章的遺體大哭，悲痛欲絕。他緩步登上城牆，環顧四周，長歎一聲，墜城身亡。
王銘章英勇殉國的消息傳到城內，受重傷的三百名士兵以他為榜樣，寧死也不落入日軍手裏，於是互相以手榴彈自炸，全部壯烈犧牲。
王銘章為保衛滕縣流盡了最後一滴血，是台兒莊會戰中中國方麵犧牲的最高指揮官。
李宗仁說：“若無滕縣之死守，焉有台兒莊之大捷？”
王銘章犧牲後，守城官兵繼續與日軍搏鬥。日軍付出重大代價，肅清了東門外王麟團的三個營後，隨即猛攻東城門。與此同時，占領了南城牆的日軍，發起猛烈衝鋒，奪占了東南城角，並繼續向北逼近。東城牆上南半部的守軍，被迫退守東城門樓。
東城門附近，張宣武配置了第七二七團吳忠敏第二營。當東關和東南城牆上的日軍向東門猛攻的時候，王誌遠和張宣武都在東門附近督戰指揮。
日軍用大炮猛轟東城門樓，還用平射炮的破甲彈猛轟東城門洞，城樓中彈起火，上麵的守軍無法存身，城門也被摧破敞開。三四十名日軍步兵在密集的機槍火力掩護下，突進了東門。守軍用四挺重機槍的火力，和數以百計的手榴彈，猶如暴風雨一般向突入東門的日軍掃射投彈，這股日軍全被消滅。
接著，日軍以波浪式的攻擊接連不斷地進攻，兵力源源不斷，而守軍彈盡援絕，無力反擊，日軍在黃昏時占領了東門。守軍殘部逐次退守東北城角和北麵城牆。這時，張宣武右腿和雙腳中彈負傷，王誌遠的左臂也中了一槍。
何煋榮遵照王銘章的命令，去掌握西門上的部隊。當時西門已用沙袋堵塞，僅可容一人側身進出，官兵爭相奪路，秩序很亂。不久，日軍從東門方向追擊前來，從城牆上用機槍、手榴彈向守軍射擊、投擲，旅長呂康頭部中彈，副旅長汪朝廉胸部中彈，接連傷亡多人。稅梯青由幾名衛士奮力拉出城門，師部參謀處長稅斌、參謀張岐與何煋榮等人，奮力擠出，僥幸得免於難。由於曾甦元旅的熊順義營、盧高煊營和江有厚特務連還堅守在西門城外，以及鐵道車站各陣地，奮力阻擊日軍，使擁擠在西門城內的官兵安全撤出一部分。但過了麥地，是一片開闊地，早為日軍火力封鎖，日軍炮兵延伸射程，並用空子母彈不斷射擊，許多官兵在這個地帶傷亡。這時隻見城內火煙四起，槍聲不絕，守軍官兵還在城內各街巷民房人自為戰，與日軍周旋。黃昏後，日軍停止追擊，炮聲漸息。