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自率师部在西关指挥。当夜，部队急筑工事，搬运弹药。
对于敌强己弱的形势，玉铭章心中十分清楚，但他抱定以死报国之心，他曾说过。“以川军薄弱的兵力和破败的武器，担当了津浦线上保卫徐州的第一线的重大任务，力量已不够是不言而喻的。我们身为军人。牺牲原为天职，现在只有牺牲一切以完成任务，虽不剩一兵一卒，亦无怨尤。不如此则无以对国家，更不足以赎川军二十年内战之罪愆了!”
十六日黎明，日军继续向界河一带四十五军阵地猛攻;迂回至冯河、龙阳店一带之日军开始向守备滕县东关的警戒部队进攻。八时许，敌集中炮兵火力向滕县东关、城内和西关火车站射击。同时，敌飞机十余架飞临滕县轰炸、扫射。驻在西关的玉铭章在敌开始轰炸后，通过电话询问情况，随后跑步进城，与同僚、部属协商判断东郊之敌即将大举进攻，大战迫在眉睫，作战应变方案有两个，一是死守孤城;二是出城机动作战。会后，王铭章立即向集团军总司令孙震报告，孙震答复说：“委员长来电话要我们死守滕县，等待汤恩伯集团前来解围，汤部的先头部队昨日已到临城，其后续部队亦正陆续赶到。我当催促王廉仲军赶紧北上，你应确保滕县以待援军。你的指挥部应立即移到城内，以便亲自指挥守城，如兵力不够，可把城外所有的四十一军部队调回一城内，固守待援!”王铭章下定了决心，昭告全城官兵， “决心死守滕城，我和大家一道，城存与存，城亡与亡。”他还命令将南北城门堵死，东西城门暂留交通道路，也随时准备封闭。师部和直属部队也由西关移进城内.
日军自八时开始，持续炮击了两个小时，十时许停止射击，沉寂了约三十分钟，突然集中炮火猛轰东关南半部寨墙的突出部炸开了十余米宽的一个缺口。敌集中数十挺机枪对准缺口扫射，一掩护步兵进攻。守军官兵毫不畏惧，沉着应战，隐蔽在缺口两侧，当敌兵约五、六十人刚下到寨壕将要向缺口冲锋时，向敌猛投手榴弹，将敌大部歼灭。就这样，担负缺口段守备的一连，接连打退敌军三次冲锋，而自己也伤亡近百，由预备队替换下来。。当午二时，日军再向东关东北角猛攻;五时，又猛攻东关门，均被守城部队击退。日军遗尸累累，守军亦伤亡惨重。当晚，战斗停止。
滕县正面四十五军部队经三天浴血奋战，伤亡过半。十六日午，正面阵地被敌突破。四十五军从滕县两侧撤退。当晚，四十一军一二四师和一二二师七二七团奉命陆续进入滕县。三六六旅中途遇故，绕道到达临城。王铭章根据兵力变化情况，重新调整部署。同时，命令各部抓紧补充弹药，构筑工事;在城墙下隐蔽的部队，每班扎一架云梯，随时准备登城反击。
