日军迅速扩大战果。他们从城东、城南朝西压迫过来。不多时，城西也被日军占领。于是，东南西三面之敌，集中火力向城中心十字街口王师长的临时指挥所进攻。王铭章师长率参谋人员和身边的警卫排从西北角登上城墙，并命令警卫排利用墙体作掩护进攻日军占领的西城门楼。就在接近西城门楼时，警卫排被日军六七挺重机枪猛烈扫射，全排无一生还。

    王铭章师长十分焦急，他打算率参谋人员迂回去滕县火车站，同在那里坚持战斗的124师372旅会合。但是他们过不去，三个方向的轻、重机枪朝他们密集扫射。王铭章、赵渭宾参谋长、罗甲辛副官、少校参谋谢大埙和124师参谋长邹慕陶，以及随从人员十余人，同时为国捐躯。

    这时候的滕县城内只剩下张宣武团长指挥的部队。他原本在滕县东门坚守，当日军占领城内其他地段时，有许多零星部队和散兵朝他靠拢。于是他便在东北城角组织一道防线，利用东面和北面的城墙阻挡日军。日军攻陷滕县大半个城镇后，开始清剿各处的残余抵抗部队。首先他们以平射炮的破甲弹轰击东城门墙，扫清守军依靠的东城墙这道掩体，然后再对张宣武的阵地发起进攻。

    张宣武团长很有作战经验，他擅长防守，能打恶仗。对日军集团式冲锋，他布置了4挺重机枪的火力，注重杀伤敌人的步兵方阵。同时他让所有士兵投掷手榴弹，阻止日军向他们靠近，避免肉搏的消耗和伤亡。

    守军士兵听说王铭章师长以身殉国的消息，个个悲痛之极，他们流着泪，咬着牙关，同日军拼搏。在滕县城内不时听到手榴弹的爆炸声，后来听跑过来的战士说，300多名重伤员，以王铭章师长为榜样，宁死也不当俘虏，不做亡国奴，于是他们互相以手榴弹自炸，全部壮烈牺牲。

    天黑前，日军对张宣武的阵地发动了最后一次攻击，在这场战斗中，张团长和王志远旅长中弹负伤。战士们英勇无畏，又一次打退了敌人的冲锋。

    占领滕县的日军没有再发起新的攻击。他们也许认为滕县已经占领，所剩下不多的残余部队组织不起反攻了，他们没有这个能量了。也许是太劳累了，连续几天几夜的进攻，日本兵不可能不疲惫。在天黑下来的时候，虽说城内枪声不断，但没有大的战斗了，从枪声判断，只不过三五成群或十几人的零星部队在继续战斗。

    半夜，城北墙角的守军还有300多人。他们在副营长侯平和连长胡绍章的指挥下，扒开了已经封闭堵死的北城门，开始有组织地逐次掩护突围。后来他们才知道，还有一支突围的部队和伤员，在突围途中，遭到敌人炮兵火力的拦击被打死、打伤了很多人。200多名伤员和部队，在微山湖东岸的渡口等船时，因过度疲劳，全部睡着了。18日天亮时，突遭日本骑兵和战车的追剿，全部壮烈牺牲。

    张团长右腿和双脚中弹，是被手下的官兵抬着跑出来的。士兵重情义，他们抬着团长和旅长，再苦再累都不放手。前面有1队侦察排开路，后面紧跟着300名战士、伤员。他们一直向南奔跑，最终安全抵达后方。

    没有从滕县突围的零星人员和小股作战部队在城内不停地转悠，他们各自为战，彻夜枪声不停，搞得城里的日军不得安宁。直到3月18日中午，滕县才没有了枪炮声。

    滕县保卫战自1938年3月14日早晨开始，至18日中午结束，共4天半的时间。坚守滕县的第41军122师自师长王铭章以下官兵伤亡5000余人，整个滕县化为灰烬，日军第10师团也受到沉重的打击，死伤达2000余人。