1938年3月14日，日军矶谷廉介第10师团向鲁南重镇滕县发起进攻，守城的川军总指挥王铭章率部坚决抗击敌人，双方进行了反复争夺。经过3天激战，双方相持不下，都付出了较大伤亡。日军以一部绕到滕县后方，挡住了中国增援部队，滕县已陷入弹尽援绝之境。
3月17日，日军在重炮、飞机支援下继续猛攻滕县。王铭章指挥守军同优势敌人浴血死战，苦苦支撑。在临城的川军第22集团军总司令孙震想组织力量增援滕县，可是部署在滕县外围的川军部队已经全被日军击溃，四散撤向微山湖、临城、峄县方向，孙震再无法掌握部队，只能徒呼奈何。
战至17日下午，日军先后发射炮弹已达2万余发，步兵数次突进滕县城内，全城一片瓦砾。此时守军弹药消耗大半，同后方联系的电话线也被毁坏，形势万分危急。王铭章决心与滕县城共存亡，向长官孙震发出了最后一份电报，然后命人将电台砸毁，率领残部与日军展开巷战。
矶谷廉介见一个小小的滕县却连续数日没有攻下，当即打电话严厉斥责了前方部队长。部队长也急了，很快组织步兵在重炮、战车、飞机支援下发起总攻击。日军反复突击，以炮火炸倒了大段城墙，相继从东城墙、南城墙、东门多处突入城内。但此时天色渐黑，日军不愿意打夜战，因而放慢了进展速度。
王铭章的指挥部被敌人发现，遭到炮火轰击，只好率领残部边打边撤，寻机突围。日军则占领东、南、西等方向城垣，用火力封锁城内街道，等待天亮后再出动向中心搜索。王铭章把身边的战斗兵力都派出去反击，他听到西门方向枪声激烈，于是带领少数人员前往西关组织战斗。
当行至西关电灯厂附近时，突遭城楼上日军的2挺轻机枪交叉射击。王铭章腹部连中7弹，当场倒下。身边的部下拿出仅有的云南白药试图灌入他的口中，然而王铭章全身血流如注，肠子溢出，已不能下咽，随即光荣殉国。随行人员还有师参谋长赵渭滨、上校副官长罗甲辛、少校参谋谢大墉等13人，其中只有两名卫士脱险幸存。
王铭章殉国后，城内的残剩守军仍进行了英勇抵抗，巷战又持续了一天一夜，直到18日下午才完全停止。更加悲壮的是，由于伤重而不能行动的300多名官兵为不沦入敌手，以手榴弹互炸而全部殉国。有29名川军将士被俘，遭到日军残酷斩杀，其中有一名少校副官倒地昏迷后被老百姓救走脱险。能够幸存突围的守军只有旅长王志远、团长张宣武率领之200余人。
滕县保卫战，王铭章率3000将士血战强敌4天，最后大部阵亡，王铭章壮烈殉国，英雄事迹惊天动地。此战为后面中国军队部署台儿庄战役争取了时间，起到了不可磨灭的作用。从此，滕县保卫战被载入光荣历史，永远感召着后人。