3月15日,日军陆续增加部队,上万日军向滕县右侧迂回,加强了对滕县的进攻。滕县东北十余里的冯河、龙阳店等几个主要据点被日军包围。下午5时,日军主力向滕县逼近。此时,王铭章师长能够指挥的滕县守城部队,只有8个步兵连、1个卫生队,连同滕县县城的警察和保安队,一共也不到3000人,真正有战斗力的部队只有近2000人。面对装备精良的日军的连续进攻,滕县的处境非常危急。王铭章临危不惧,动员官兵誓死报国,部队士气高昂,一次又一次地把日军击退。
3月16日,从黎明开始,日军向滕县东北方向发动猛烈进攻,上万发炮弹泻落在滕县城内,飞机整整轰炸了一天,滕县城内的老百姓惊恐万状。第127师师长在战斗中光荣负伤。坚守滕县外围各主要据点的中国守军互相隔离,被迫各自作战,一些据点的官兵壮烈牺牲。
孙震总司令获悉滕县的战况,打电话给王铭章:“昨天,汤恩伯的先头部队已到临城,后续部队会陆续赶到。你们必须坚守滕县。你的指挥所应立即移到城内,你要亲自指挥守城事宜。如果守城兵力不足,可以把城外的兵力调进城内。”
“我们一定固守待援。”王铭章坚定地表示。
王铭章到滕县指挥所后,当即告诫滕县城内全体官兵:我部必须死守滕县。我和大家一起,城存与存,城亡与亡。现在,立即把南门和北门堵死,东门和西门暂时留出通道,没有我的命令,任何人不准出城,违纪者,就地正法。
命令传下去后,王铭章师长镇定自若,登上滕县城头,不断慰勉守城官兵,坚决阻击日寇,誓与阵地共存亡。为了集中兵力加强滕县的防守,天黑以后,王铭章命令城外各据点向滕县靠拢,进入县城防守。
日军的优势兵力久攻不克,矶谷廉介恼羞成怒。这天夜间,他把3万多日军、70多门大炮、近50辆战车调集起来,把滕县城关的东面、南面、北面包围起来。
滕县的战局越来越严重。第5战区原定由汤恩伯军团的一个团接替滕县的防务。该团已于3月15日到达临城。孙震总司令得知这一情况,命令该团立即前往滕县,支援王铭章师长防守滕县。但是,由于该团必须等到军团司令部到达临城后才能北上,难以立即前往滕县。当时,第22集团军在临城的部队只有第41军直属特务营了,这个营仅有3个步兵连,1个手枪连,力量单薄。孙震总司令为了解滕县之围,命令特务营营长率领3个步兵连星夜出发,急行军赶往滕县,支援王铭章师长防守滕县,他自己身边只留下1个手枪连。
3月17日拂晓,日军就开始向滕县进行猛烈炮击和轰炸,每分钟都有数十发炮弹落到县城,敌机接连不断地向中国守军投弹、扫射。阵地被炸毁了,房屋倒塌了,起火了。滕县城内,到处硝烟迷漫,烈火熊熊,只有北关的美国教堂还依稀可辨。
东南角的城墙被炸塌了,日军在坦克的掩护下,向缺口冲击。王铭章师长指挥官兵用机枪、手榴弹顽强抗击。日军冲过来,官兵们就用大刀同鬼子展开了肉搏战。