局勢在進一步惡化。
第二天的守城戰由於日軍第四十聯隊和界河方向的部隊一路燒殺趕到的晚。投入戰鬥時間也晚。雖然打的慘烈，城內守軍還是支持到了晚上。第三天就不同了，戰場更加慘烈，守軍更加困難了。
第十、第四十聯隊都是鬼子精銳，裝備精良，戰術素質也高。而守軍卻是中國裝備最差的部隊，連門可以打坦克的戰防炮都沒有，唯一比較充足的武器是第五戰區戰前運進來的一列車手榴彈。手榴彈最多扔幾十米遠，鬼子坦克、裝甲車上的炮和機槍卻可以打幾千米遠，這場戰鬥註定是場一邊倒的戰鬥。何況現在鬼子進城了，又是百倍警惕，守軍就是再勇敢、再不怕犧牲，想用集束手榴彈再去炸鬼子坦克，那也得有機會才行，一般情況下戰士們到不了坦克跟前就會被鬼子打死的。
鬼子兵力雄厚，這一次又是全面進攻，四處開花，打到中午的時候，守軍已被鬼子分割成了幾塊，在苦苦支撐，眼見再不突圍的話。部隊就會就要全部犧牲在這滕縣城裡了。
王銘章再次給孫震發報，講明城內情況，最後表明態度：“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。我們身爲軍人。犧牲原爲天職，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！職等決心死拼，以報國家！”
孫震接報後，知道城內情況已危險之極，王銘章發的是絕命電，遂下令陳鼎勳率城外的二十二集團軍三個團冒死攻擊，牽制日軍，減輕城內壓力。同時將王銘章電報轉報李宗仁，附電詢問二十軍團到底在什麼位置，爲何不向臨城、棗莊之日軍發動攻擊？如二十軍團不能如期發動攻擊，可否令王銘章突圍，在敵後機動，威懾日軍？
李宗仁此時心裡已非常窩火，滕縣方向川軍在浴血拼殺，湯軍團卻動作遲緩。看起來，這滕縣必須再堅守幾天才行，否則的話，湯軍團就不可能部署到位，更別說對日軍實施圍殲了。
但是，現在的情況已經很明顯。滕縣已經堅守三天，不可能再堅守下去了，今天就可能陷落。問題是滕縣失守後，日軍後續隊伍就可能涌向臨城、棗莊，直至攻向臺兒莊。到時候，如果臨沂方向和魯西南方向再出現變故，日軍第十六師團、第五師團再集中兵力殺向徐州來的話，不要說消滅日軍攻向臺兒莊的部隊了，能不能守住徐州都成問題。
李宗仁繞室徘徊半天，再次給蔣介石發報，要求第一戰區部隊務必配合第三集團軍阻擊日軍第五師團，使其不能東進。請求蔣親自給湯恩伯電令，促其迅速部署，確保圍殲孤軍突出的日軍第十師團瀨谷支隊。
發完給蔣介石的電報後，李宗仁坐在桌前，手指不停地敲擊着桌子，邊敲邊想，既然是口袋，裝一個聯隊是裝，裝兩個聯隊是裝，裝三個又有何妨？日軍第十師團經過二十二集團軍幾天來的拼死搏殺。傷亡一定很大，就放他們到臺兒莊來，調集大軍給它來個一鍋燴，打一個國軍系統前所未有的大勝仗，振奮一下國人的抗日精神。單是消滅第63聯隊有點小家子氣，對戰局也沒有太大影響。
想到這裡，李宗仁叫來參謀長徐祖貽，請他再次去臨沂前線，協調指揮臨沂各軍行動，務必確保消滅日軍第十師團瀨谷支隊前不讓臨沂日軍前來增援。
徐祖貽欣然受命，與李宗仁探討一陣臨沂戰局後，就去準備出發了。
李宗仁喝口茶，想清靜一會兒，但腦子裡跑馬一樣，一會兒是孫震的電報，一會兒是川軍初到時破爛的軍服和一張張黑瘦的臉。想了一會兒，李宗仁覺得戰局大的方面籌劃已定，與其讓王銘章部全部犧牲在城裡，不如退出城外，斷敵後路。最起碼可以收到襲擾敵人後方的作用。遂電令孫震，在滕縣城外的二十二集團軍各部，馬上投入戰鬥，全力支援城內王銘章部戰鬥。夜裡務必對敵發起襲擾作戰，使敵摸不清我軍虛實。至於城內部隊何時突圍，李宗仁明確指出：二十二集團軍在界河、北沙河、滕縣浴血拼殺幾天幾夜，表現出了川軍英勇抗戰之精神，爲全軍樹立了典範。滕縣能夠堅守三天，殊爲不易。爲了保證後續作戰勝利，特令二十二集團軍守城部隊選擇時機突圍。突圍後。部隊向西轉移休整。兩日後渡過北沙河，相機奪取界河，切斷日軍退路，並與第三集團軍聯繫，共同擔任斷敵第十師團退路的任務。
接到李宗仁的電報，孫震急忙給王銘章發報，命令其組織一切力量固守，把部隊集中起來，天黑後突圍。並通報已令城外三個團全力進攻，策應守城。
孫震的電報，等於是給已經極端困難的守軍打了一支強心針。本來已經是頻死的人了，忽然知道有了一線生機，爆發出來的求生意志是非常強大的。在王銘章的命令下，已經被日軍分割的各部隊決死反擊，王銘章、張宣武、王振文都帶着警衛直接上火線拼殺，硬是把日軍的攻勢打得一挫，各部隊的防線趁機恢復了聯繫。
從早上打到現在，日軍也打的疲倦了，見川軍拼死反擊，瀨谷啓以爲是迴光返照，命令部隊鞏固陣地，四面圍困，抓緊時間吃飯。等吃完飯。一鼓作氣，全殲守軍。
陳鼎勳奉命率領部隊增援滕縣守軍，他知道日軍已經完成對守軍的包圍，並壓縮至縣城一角，解圍談何容易？只能攻敵之必救，迫使敵人分兵，減輕守軍的壓力。於是，陳鼎勳把目光盯住了日軍的炮兵陣地。但是，敵人炮兵陣地在滕縣城東關，部隊要繞到那裡，必須運動到前十里鋪、後屯一線。才能去抄日軍炮兵陣地的後路。這個時候，天上的日機正愁找不到目標呢，要是繞這麼遠去攻擊敵人炮兵陣地，那和去送死沒什麼區別。
思來想去，陳鼎勳決定先攻擊距離最近的西關，爭取打通一條與城內守軍的通道，實在不行就大造聲勢，讓鬼子以爲援軍趕到，分兵前來阻擊。等晚上再去攻擊日軍的炮兵陣地，掩護守軍撤退。
攻擊前，陳鼎勳多留了個心眼，部隊運動到位後，以一個團去攻西關的鬼子陣地，兩個團在種寨和大彥村之間設伏，準備給追擊的鬼子來一傢伙。
仗打到這份上，戰士們早已打紅眼了，命都不算什麼了，因爲死的弟兄太多了，真正應了那句話：“人到戰場不是人，命到戰場比草賤”。所以，三個團爭着去擔任攻擊任務，最後，人數比較多的125師縮編的團奪得了攻擊任務。
陳鼎勳畢業於保定陸軍軍官學校二期，算得上軍中宿將，又愛看川劇，對古人的謀略很是敬佩。他交待帶隊的團長，不要死攻，要用兩個連佈置疑兵，把全部軍號都帶上，打響後所有衝鋒號都給老子吹響，讓小鬼子知道我軍增援大軍趕到，讓他們自動收縮陣地，不敢放手圍殲守軍。撤退時要快，否則鬼子的騎兵、坦克都會追上你們，那就不妙了。
陳鼎勳的意思軍官士兵都清楚，就是要向諸葛亮一樣大布疑兵陣，嚇退鬼子。
125師進攻的時間正是日軍換防吃飯的時候。槍聲一起，十幾把軍號同時吹響，一個團的士兵撲向了滕縣西關的日軍。
擔任西關警備掩護任務的日軍見中國軍隊來勢兇猛，一邊求援，一邊向西門收縮，企圖憑藉城牆工事固守。
瀨谷啓接到報告，以爲真的是中國軍隊援軍大至，慌忙令第四十師團增援西關，堅決擊退中國軍隊援兵。後來，見這支中國軍隊很快就退兵了，瀨谷啓就覺得受了愚弄，這支軍隊充其量就是團級規模，憑他們也想來救援滕縣守軍，簡直是做夢。不過，老是又這樣一支軍隊在城外窺伺，也很麻煩，說不定他們會襲擊輜重部隊的。
於是，瀨谷啓下令四十聯隊派出騎兵大隊和兩個中隊的步兵前去追擊，務必消滅這股支那部隊。
鬼子這一出城追擊，正中城外川軍的下懷，沒有重火力，攻不開城門，打打小伏擊總可以吧！結果，追出城的日軍自然是鑽進了川軍的伏擊圈。不過，川軍確實是火力太差，讓鬼子逃回來了一部分。
逃回的鬼子向四十聯隊報告了在種寨和大彥村遇伏，傷亡慘重的情況，瀨谷啓這才確信，城外確實有中國軍隊大部隊，最少也是師級規模，隨時可以抄日軍的後路。瀨谷啓不驚反喜，馬上命令第四聯隊出城，消滅這個中國師。
第40聯隊這一出城追擊，王銘章等人感覺壓力頓時一輕，集中精神對付日軍的新一輪攻擊。
這一打，就打到了天黑，守軍自然是傷亡越來越大，日軍也沒有好過到哪裡去。用第十聯隊聯隊長赤柴八重藏大佐的話說，進入支那以來，第十師團所向無敵。只有兩次作戰大大不利。一次是被支那劉一民教導師伏擊，想起來都讓人毛骨悚然，那是一片血肉模糊，精銳的皇軍士兵象磚頭瓦塊一樣，被劉一民部隊砸的粉碎。第二次就是這次滕縣攻擊戰，當然，滕縣守軍不能和劉一民的教導師比，那是一羣看不見的魔鬼，吃肉不吐骨頭。不過，這滕縣守軍雖然沒有劉一民教導師那麼恐怖，但他們打的是以命換命，連傷員都拉響手榴彈和皇軍同歸於盡，造成進攻部隊傷亡巨大，小小的滕縣縣城竟然是一塊啃不動的釘子。
天黑後，王銘章和張宣武將部隊收縮，固守在南城牆一帶，準備突圍。這一收縮，王銘章把牙都咬掉了兩顆。守城開始時有5000多人，打了3天，5000人變成了1000來人，其中還包括三百多名輕重傷員。也就是說，4000名川軍將士長眠在了滕縣城內。
王銘章擦了把淚，命令張宣武，把所有部隊整編成三個營，張宣武帶一個營做突圍先鋒，王振文帶一個營運送傷員，他親自帶一個營殿後，掩護部隊突圍。
張宣武和王振文認爲要走也是師長先走，絕對沒有讓師長殿後的道理。
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王銘章制止了兩個人，說道：“我們在滕縣堅守三天，加上界河阻擊戰、北沙河阻擊戰、龍陽店阻擊戰，少說也打死了3000多鬼子，我第二十二集團軍雖然打殘了，也值了。我們基本上是5條命換小鬼子一條命，雖然有點賠本，但那也是沒辦法的事。死了那麼多弟兄，哪裡多我一條命。你們放心，我這人命大，不會有問題的。”
張宣武和王振文不依，最後決定，王振文做突圍先鋒，張宣武殿後，王銘章率一個營帶傷員轉移。
結果，三百多傷員全部拒絕撤退，不願意拖部隊後腿，要求每人發五顆手榴彈，將他們安置在不同地方，由他們做最後的殿後部隊。
王銘章心中不忍，但理智告訴他，帶着傷員突圍是不現實的。再說，現在打成了一鍋粥，即令突圍出去，能不能回到徐州還很難說，傷員得不到救治，也很難活下去。就咬咬牙，下令將傷員隱蔽，每人發5顆手榴彈。
突圍開始前，王銘章給孫震發了電報，詢問能否接應。孫震回電，陳鼎勳率領三個團下午和追擊的鬼子激戰，至今未能脫離與敵接觸，計劃晚上想法撤退。只有等他們擺脫了追擊的鬼子，才能去攻擊鬼子炮兵陣地，接應守軍突圍。
王銘章一想，趁陳鼎勳他們和鬼子交戰，正好突圍。隨即命令王振文行動。
突圍開始的時候進行的很順利，第十聯隊經過幾天激戰損失很大，夜晚暫停攻擊，處於警戒狀態。王振文他們不強行攻擊，而是在南城牆上靠上梯子，爬上城牆後用繩子縋下去。
剛開始的時候，王振文率領先頭營先上了城牆，在兩邊架起了機槍，做好了掩護突圍的火力準備。隨後就讓戰士們攀着繩索往下溜。
當先頭營順利出城後，王銘章帶人上了城牆，剛攀着繩子縋下去，南城牆兩邊的鬼子發覺了，開始用機槍掃射，封鎖突破口。
王銘章一見鬼子開始封鎖，在城牆下面連聲大喊：“用火力壓制，掩護弟兄們快爬！”
一句話沒有喊完，鬼子機槍一梭子打過來，直接擊中了他。王銘章看了一眼鬼子的機槍方向，罵了句“龜兒子”，就轟然倒下。
參謀長趙渭濱和124師副參謀長鄒邵孟見王銘章中彈，趕緊都往跟前跑，查看傷勢，結果鬼子的機槍又是一梭子打來，二人都中彈當場犧牲。
見師長、參謀長殉國，尚在城牆上的一二二師警衛連碩果僅存的一個排全都紅了眼，吶喊着向鬼子撲去，與敵人殺在了一起。可惜鬼子火力太強，這個排全部壯烈犧牲。
發覺守軍突圍，瀨谷啓暴跳如雷，嚴令部隊追擊阻截。鬼子就在南城牆下，與張宣武率領的掩護部隊激戰。
看看部隊都快突出去了，張宣武下令掩護部隊分批登上城牆，快速縋城，這個時候傳來了王銘章殉國的消息。張宣武還不太相信，但一看王銘章警衛排的戰士們瘋了一樣向鬼子猛撲，就知道是真的了。
張宣武端起機槍，站起來對着追上來的鬼子猛掃，邊掃射邊喊：“小鬼子，我日你八輩祖宗！”
打完一梭子，剛換上新彈匣，張宣武就感覺自己被猛推了一把，直接摔到了地上。朦朧中，張宣武感覺到幾個弟兄把他背上，順着梯子爬上了城牆，以後就昏迷了。
最後，真正阻擋了鬼子追兵步伐的，是那三百多名輕重傷員。
見部隊突圍受阻，輕傷員們馬上就持槍投入戰鬥，在鬼子追兵屁股後面開火，邊開火邊高聲叫罵，吸引鬼子注意。等鬼子轉向來消滅這羣傷員的時候，轟轟隆隆的集束手榴彈爆炸聲就此起彼伏地想起來了，往往是一個傷員炸倒一片鬼子，那種慘烈場面把鬼子徹底嚇破了膽，再也不敢追擊了，眼睜睜地看着突圍的士兵們揹着長官的屍體隱進了黑夜中。
突圍部隊和城外部隊匯合後，第二十二集團軍總司令孫震檢閱了突圍出來的五百多名勇士，逐一給每個戰士敬禮。最後，孫震查看了王銘章、趙渭濱、鄒邵孟的遺容，莊嚴地行了軍禮，就帶着部隊轉移了。
夜裡2點，部隊轉移到安全地帶後，孫震含淚給蔣介石、李宗仁、鄧錫侯發報，報告滕縣保衛戰經過和國民革命軍一二二師師長、陸軍中將王銘章殉國的消息。
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