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援军汤恩伯部王仲廉军十五、十六日陆续到达临城，先头部队一个团刚下火车，孙震以滕县情况紧急，令其前往增援。该团在南沙河遭围攻滕县日军一部攻击，不支溃退，其它各部仅在南沙河警戒，其军部到达后，得知滕县正受强大敌军围攻，便借口机动作战，将部队迂回向滕县东北峰山以东地区开去。于是南沙河之敌向前推进，二十二集团军总部不能抵抗，遂后撤至运河南岸利国驿，从此与滕县守军失去联络，滕县完全陷入日军四面包围之中。
日军在滕县碰上硬钉子，出乎意料，遂于当夜，调集精锐部队，配属数十辆装甲战车和大量炮兵，十七日六时许，敌集中炮兵火力，猛烈射击滕县城区，敌机二十余架疯狂投弹扫射，整个滕县城硝烟弥漫，房倒屋塌，顿成一片火海。两个多小时的轰炸之后，敌开始向东关进攻，以十余辆坦克为先导，掩护步兵从东寨墙的缺口冲锋。东关守军冒着敌人炮火，在近距离与敌展开殊死搏斗，伤亡惨重。另一部日军向被轰塌的东南角城墙进攻，守军一个连，用集束手榴弹炸毁敌战车两辆，在敌密集火力射击下，该连伤亡殆尽。敌步兵四十余人冲上城角，守军另遣一个连向突人之敌反击，经激烈肉搏，全歼突入之敌，该连官兵仅剩十四人。此时，王铭章急电孙震：“敌以炮火猛轰我城内及东南角城墙，东关附近又被冲毁数段，敌兵登城，经我反击，毙敌无数，已将其击退，若友军深夜无消息，则孤城危矣。”
午二时，日军以重炮猛轰南城墙下街道，同时，敌机二十余架轰炸南关。随后，敖步兵在坦克掩护下进攻南城。守军英勇战斗，伤亡殆尽，敌军攻占南城墙。此时东面日军集中兵力猛攻东关，散步兵在坦克掩护下突入东关。玉铭章见援军无望，再给孙震一电，表示：“决心死拼，以报国家。”
王铭章在敌军攻占南城墙和东关后，亲临城中心十字街口指挥作战。此时，占领南城墙之敌在机枪火力掩护下，从西南城角向西城墙逼进，敌炮兵集中火力射击西门城楼。西门、火车站，守军失去城墙等工事掩护，暴露在敌火力之下，伤亡极大，仍坚持抵抗。下午五时，敌占领西城墙和西门，王铭章命令城内各部与敌巷战，西关守军死战待援，自己登上西北城墙，亲自指挥警卫连一个排进攻西门城楼。因敌火力猛烈，城墙上毫无掩蔽，该排全部阵亡。此时，玉铭章决心缒城到西关指挥守军继续战斗，行至西关电灯厂附近，遭西门城楼敌密集火力射击，王铭章见事已不可为，遂拔枪自戕，壮烈殉国。同时殉难的还有参谋长赵渭滨及一二四师参谋长邹绍孟等人。王铭章将军牺牲后，守城官兵仍继续与日军搏斗，除少数突围外，其余皆洒尽了最后一滴血。
