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自率師部在西關指揮。當夜，部隊急築工事，搬運彈藥。
對於敵強己弱的形勢，玉銘章心中十分清楚，但他抱定以死報國之心，他曾說過。“以川軍薄弱的兵力和破敗的武器，擔當了津浦線上保衛徐州的第一線的重大任務，力量已不夠是不言而喻的。我們身為軍人。犧牲原為天職，現在只有犧牲一切以完成任務，雖不剩一兵一卒，亦無怨尤。不如此則無以對國家，更不足以贖川軍二十年內戰之罪愆了！”
十六日黎明，日軍繼續向界河一帶四十五軍陣地猛攻；迂迴至馮河、龍陽店一帶之日軍開始向守備滕縣東關的警戒部隊進攻。八時許，敵集中炮兵火力向滕縣東關、城內和西關火車站射擊。同時，敵飛機十餘架飛臨滕縣轟炸、掃射。駐在西關的玉銘章在敵開始轟炸後，通過電話詢問情況，隨後跑步進城，與同僚、部屬協商判斷東郊之敵即將大舉進攻，大戰迫在眉睫，作戰應變方案有兩個，一是死守孤城；二是出城機動作戰。會後，王銘章立即向集團軍總司令孫震報告，孫震答覆說：“委員長來電話要我們死守滕縣，等待湯恩伯集團前來解圍，湯部的先頭部隊昨日已到臨城，其後續部隊亦正陸續趕到。我當催促王廉仲軍趕緊北上，你應確保滕縣以待援軍。你的指揮部應立即移到城內，以便親自指揮守城，如兵力不夠，可把城外所有的四十一軍部隊調回一城內，固守待援！”王銘章下定了決心，昭告全城官兵，“決心死守滕城，我和大家一道，城存與存，城亡與亡。”他還命令將南北城門堵死，東西城門暫留交通道路，也隨時準備封閉。師部和直屬部隊也由西關移進城內．
日軍自八時開始，持續炮擊了兩個小時，十時許停止射擊，沉寂了約三十分鐘，突然集中炮火猛轟東關南半部寨牆的突出部炸開了十餘米寬的一個缺口。敵集中數十挺機槍對準缺口掃射，一掩護步兵進攻。守軍官兵毫不畏懼，沉著應戰，隱蔽在缺口兩側，當敵兵約五、六十人剛下到寨壕將要向缺口衝鋒時，向敵猛投手榴彈，將敵大部殲滅。就這樣，擔負缺口段守備的一連，接連打退敵軍三次衝鋒，而自己也傷亡近百，由預備隊替換下來。。當午二時，日軍再向東關東北角猛攻；五時，又猛攻東關門，均被守城部隊擊退。日軍遺屍累累，守軍亦傷亡慘重。當晚，戰鬥停止。
滕縣正面四十五軍部隊經三天浴血奮戰，傷亡過半。十六日午，正面陣地被敵突破。四十五軍從滕縣兩側撤退。當晚，四十一軍一二四師和一二二師七二七團奉命陸續進入滕縣。三六六旅中途遇故，繞道到達臨城。王銘章根據兵力變化情況，重新調整部署。同時，命令各部抓緊補充彈藥，構築工事；在城牆下隱蔽的部隊，每班扎一架雲梯，隨時準備登城反擊。
援軍湯恩伯部王仲廉軍十五、十六日陸續到達臨城，先頭部隊一個團剛下火車，孫震以滕縣情況緊急，令其前往增援。該團在南沙河遭圍攻滕縣日軍一部攻擊，不支潰退，其它各部僅在南沙河警戒，其軍部到達後，得知滕縣正受強大敵軍圍攻，便藉口機動作戰，將部隊迂迴向滕縣東北峰山以東地區開去。於是南沙河之敵向前推進，二十二集團軍總部不能抵抗，遂後撤至運河南岸利國驛，從此與滕縣守軍失去聯絡，滕縣完全陷入日軍四面包圍之中。
日軍在滕縣碰上硬釘子，出乎意料，遂於當夜，調集精銳部隊，配屬數十輛裝甲戰車和大量炮兵，十七日六時許，敵集中炮兵火力，猛烈射擊滕縣城區，敵機二十餘架瘋狂投彈掃射，整個滕縣城硝煙瀰漫，房倒屋塌，頓成一片火海。兩個多小時的轟炸之後，敵開始向東關進攻，以十餘輛坦克為先導，掩護步兵從東寨牆的缺口衝鋒。東關守軍冒著敵人炮火，在近距離與敵展開殊死搏鬥，傷亡慘重。另一部日軍向被轟塌的東南角城牆進攻，守軍一個連，用集束手榴彈炸毀敵戰車兩輛，在敵密集火力射擊下，該連傷亡殆盡。敵步兵四十餘人衝上城角，守軍另遣一個連向突人之敵反擊，經激烈肉搏，全殲突入之敵，該連官兵僅剩十四人。此時，王銘章急電孫震：“敵以炮火猛轟我城內及東南角城牆，東關附近又被沖毀數段，敵兵登城，經我反擊，斃敵無數，已將其擊退，若友軍深夜無消息，則孤城危矣。”
午二時，日軍以重炮猛轟南城牆下街道，同時，敵機二十餘架轟炸南關。隨後，敖步兵在坦克掩護下進攻南城。守軍英勇戰鬥，傷亡殆盡，敵軍攻占南城牆。此時東面日軍集中兵力猛攻東關，散步兵在坦克掩護下突入東關。玉銘章見援軍無望，再給孫震一電，表示：“決心死拼，以報國家。”
王銘章在敵軍攻占南城牆和東關後，親臨城中心十字街口指揮作戰。此時，占領南城牆之敵在機槍火力掩護下，從西南城角向西城牆逼進，敵炮兵集中火力射擊西門城樓。西門、火車站，守軍失去城牆等工事掩護，暴露在敵火力之下，傷亡極大，仍堅持抵抗。下午五時，敵占領西城牆和西門，王銘章命令城內各部與敵巷戰，西關守軍死戰待援，自己登上西北城牆，親自指揮警衛連一個排進攻西門城樓。因敵火力猛烈，城牆上毫無掩蔽，該排全部陣亡。此時，玉銘章決心縋城到西關指揮守軍繼續戰鬥，行至西關電燈廠附近，遭西門城樓敵密集火力射擊，王銘章身中數彈，當場犧牲，同時殉難的還有參謀長趙渭濱及一二四師參謀長鄒紹孟等人。王銘章將軍犧牲後，守城官兵仍繼續與日軍搏鬥，除少數突圍外，其餘皆灑盡了最後一滴血。