1938年3月15日晨，日军攻击滕县外围川军阵地，遭到顽强抵抗。日军改变战术，一边继续猛攻，又另派日军3000余人迂回到川军左后方实施包围，陈离127师陷入重围。
另一股日军约3000人，从济宁东南的石墙出动，向守深井的124师370旅进攻。该旅只有一个团，死伤惨重。
滕县城内的王铭章急调城内的124师372旅增援正面防守敌军的370旅，方稳住阵地。
但到了15日下午，正面防线上敌人潮水般越来越多，日军又以万余人由龙山向滕县右旋迂回包围。
大批日军向滕县迂回包抄过来
日军用意至此已非常明显：与川军外围正面防线胶着纠缠，而分兵从侧翼直捣滕县孤城，从而迫使川军主力放弃正面回救县城……
川军第41和45两军的主力部队，都缠斗在滕县外围的第一线。
王铭章焦急地打电话，命令驻平邑前线的122师336旅王文振团：“王团长，目前只有你团尚未与日军接触，还保存战斗力。调你团迅速回援滕县，十万火急！”
王文振团长着急地回答：“我团离滕县百里之外，缓不济急呀！”
川军著名抗日将领，41军122师师长
王铭章忙向临城集团军总部孙震发电告急：
“总司令，目前在滕县城内守城的，只有122、124和127三个师的师部，各有一个警卫连、通信连、卫生队。另外，还有滕县县长周同率领的警察、保安队四五百人。滕县危急万分，请总司令派兵援救！”
孙震复电：“蒋委员长已令汤恩伯军团共3个军10万之众北援，先头部队王仲廉军已于15日到达临城。但王部要等汤军团到达后才能北上，不能解滕县燃眉之急。我只好命总司令部特务营长刘止戎率步兵三连，援助滕县。我这里，也仅留一个手枪连守总司令部了！”
孙震将军，第22集团军总司令
王铭章见暂无援军指望，下午电令727团团长张宣武：“你团除以一个营守备洪町、高庙一带原阵地，另以一营归127师指挥留防北沙河外，速率余部跑步回援滕县县城！”
团长张宣武立即抽出一个营，黄昏前气喘吁吁跑回滕县县城，王铭章已焦急地在城外守候。此时，366旅731团第1营也由营长严翊率部从平邑撤回。
晚上，总司令部刘止戎营也由临城乘火车赶至滕县。
王铭章下令：“由727团团长张宣武担任城防司令统一指挥，连夜构筑防御工事！”
川军装备很差，张宣武带回城的第3营有4个步兵连，却没有一挺轻、重机枪。
幸好孙震下令，夜里从临城急运来一列火车的粮弹，其中有许多手榴弹，东关和城上的守兵每人都有一箱，每箱50颗，成为守城最得力的武器。
张宣武向王铭章汇报：
“王师长，截至15日深夜，滕县城关的战斗部队，总共为1个团部、3个营部、10个步兵连和1个迫击炮连。另有师、旅部的4个特务连……共约2500人。
此外，滕县县长周同所属的武装警察和保安团五六百人。合计起来，城中共有武装力量3000人，但真正能作战的，不到2000人。”
16日黎明，有万余日军继续向龙山等川军阵地猛攻。8时后，日军山炮12门在滕县以东的东沙河高地，以排子炮的密集火力炮轰滕县县城，同时，12架日机飞临县城上空。
炮弹、炸弹狂风骤雨般从天而降。滕县居民顿时慌乱，男女老少哭叫着出城向西逃难而去……
王铭章立即打电话向临城的孙震总司令报告：“我与部下商议，认为将部队撤出城外，机动作战为好。”
孙震回答说：“委员长来电，要我们死守滕县。我再努力催促王仲廉军赶紧北上。你将指挥部立即移到城内，亲自指挥守城事宜，固守待援！”
王铭章浓眉紧皱，咬牙对张宣武等人说：“我和大家一道，城存与存、城亡与亡。在四门张贴布告：没有本师长的手令，任何官兵不准出城，违者就地正法！”
日军从16日早上开始在炮火掩护下数次攻城，炸开多处城墙缺口。守东关的川军严翊营士兵埋伏缺口两侧。
当五六十名日军跳出战壕向缺口冲来时，守军每个人将结成两个一捆的手榴弹投入日军群中，冲锋的日军尸横遍地……日军反复冲锋，均遭重创而退逃。
苦战到16日下午，滕县外围川军第45军的界河阵地已被日军突破。
入夜战斗稍息，月色惨淡。王铭章和县长周同指挥部队修复加固工事，将县里存放的1000余包食盐用来封堵缺口。
王铭章又连夜下令41军城外防守的2000余名官兵全撤进城内……
当晚，日军第10师团已增加重兵共3万人，将滕县的东、南、北三门包围得严严实实。
17日天刚亮，日军50多门山炮、野炮和重炮向城内猛轰，每分钟发炮15发以上。20多架飞机发出撕心裂肺的轰鸣声，低空扫射、投弹……
城内房屋哗啦啦倒塌，火光冲天，全城已成一片焦土。
1938年3月17日，王铭章率部死守滕县最为惨烈的一天。