子弹和手榴弹很快下发到士兵手中，平均每个士兵发了一箱子弹和两箱手榴弹。有谁知道，这是直到滕县失守，122师得到的最后的援助。
第二天刚麻麻亮，矶谷就集中了万余兵力，由25架飞机掩护，向滕县发起攻击。敌人兵力超过中国守军的半数，还有飞机、坦克配合，这对中国守军来说，几一场恶战。飞机轮番地轰炸着滕县城，半个小时的轰炸，不但炸毁了房屋，城东南关士寨被炸开了一个15米宽的大缺口。敌人如狂潮般涌进城内。守军奋勇还击。虽然敌众我寡，但由于刚刚补充了足够的子弹和手榴弹，再加上居高临下，敌人进攻了七次，均未获成功，战斗至晚上，敌人才收兵休战。
晚上，王铭章把部队各主要军官集中起来，对大家说:“打退的敌人不会善罢甘休，明天，他们会组织更大规模的进攻。我们要有充分准备，要做到人在城在，有一口气也要与敌人拼到底！”
次日上午8时，矶谷集中了1.5万步兵，在飞机和坦克的配合下，越发疯狂地向中国守军进攻了。不到半小时，数百名日军凭借云梯，登上了城墙。几分钟后，中国的敢死队开始出击，官兵们挥舞着大刀，吼叫着一步一步扑向鬼子。经过白刃格斗，虽然将鬼子推下了城墙，但损失巨大，180名敢死队员只剩下13名了。
下午3时，城墙多处被突破，大批敌人冲进了城，守军越打越少，王铭章和他的参谋长赵渭宾、副官长罗甲辛被一发炮弹击中，受了重伤，王铭章为了不拖累大家，开枪自杀身亡。这时，只有张宣武团长及几个士兵坚守在北门城墙。天黑了，眼看守城无望，张宣武命令打开北城门，他们担着王铭章、赵渭宾等人的遗体，向南突围。一直带领着滕县民众和122师官兵一起坚守城池的滕县县长周同见到滕县已经无法避免陷落的命运，站在城墙上向突围的官兵高呼：“抗战以来，只有殉土的将领，没有殉职的地方官，我要做第一个为国牺牲的地方官！”说完，周同转身跳下城墙，以自己的生命实践了自己的诺言。王师长英勇殉国的消息传到城内，受重伤的300名士兵以他为榜样，宁死也不落入敌手，于是互相以手榴弹自炸，全部壮烈牺牲。王铭章将军牺牲后，守城官兵继续与日军搏斗，入夜之前，日军占领了东、南、西三面城墙，而东北、西北两个城角和北面城墙仍在中**队手中。夜9时，守军二三百人突出重围。但在城内，与大部队失去联系的零星小部队仍在顽强地战斗，彻夜枪声未停，直至14日午前，滕县才算沦入敌手。滕县保卫战自1938年3月10日早晨开始，至14日中午结束，共4天半，计108小时。守军第41军守城部队自第122师师长王铭章以下伤亡5000余人，在滕县附近界河、龙山、南、北沙河一带作战的第45军，自第127师师长陈离以下也伤亡四五千人。滕县整个阵地化为灰烬。进犯的日军伤亡也十分惨重，死伤达2000余人。王铭章将军前言必践，率自己的3000名川军子弟兵用生命为李宗仁赢得了4天宝贵的时间，为台儿庄大捷铺平了道路，使得汤恩伯，孙连仲所部，可以有时间在临城和台儿庄一线布设防御阵地。
国民政府为表彰第一二二师在滕县英勇杀敌的事迹，特为该师立碑记功，并追授王铭章陆军上将军衔。王铭章的灵柩经武汉、重庆、成都运到他的家乡时，沿途民众纷纷举行悼念、祭奠活动。
悼念会上，蒋介石发表讲话，他说:“各位，王师长是位爱国的军人，是一位热血男儿！他在滕县拿3000人抵挡日军迂回部队1万多人，他是何等的勇敢！上月12日早晨，战事开始，王师长率部浴血抗战，肉搏八小时。当夜日军由东关向城内开炮，城墙被轰塌两处，王师长便命令用食盐千包填塞缺口，他是何等的机智！17日早晨，日军大批包围四城，飞机大炮猛烈轰炸之下，日军坦克冲进城，城里弹如雨下，火焰漫天，王师长不但不退，还带了参谋长赵渭宾、团长王麟、县长周同等登城督战，他又是何等的壮烈！直到下午，局势更坏，援兵当时已经开到，可是同日军援兵遭遇，进不得城，救不得他，王师长先是腹部中弹，继而举枪自杀，赵参谋长和王团长也先后阵亡。县长周同看见这种情形，便对左右说：全国失陷的县城不知有几百个，但还没有听说县长慷慨殉职的，我愿意死在这里，留一青名于后世！周县长说罢，从城楼上一跃而下，坠城殉国。剩余的士兵还在烟火弹雨中同日军死拼，3000人突围而出者，不到一成，他们又是何等的壮烈！”蒋介石顿了顿，继续说，“要抗战便要流血牺牲，不是在嘴上嚷嚷就算的，王师长是个模范军人！”
最后，他号召全军将士以王铭章为楷模，不惜杀身成仁，坚决抗战到底。
新编99师，则是在师长的命令下，营区国旗下半旗，所有人员佩带黑纱，以示为殉国将士戴孝。沈云龙还把蒋委员长在王将军的追悼会上的讲话，印刷以后，下发到所有的连队，由各部队的政训人员，向官兵讲明122师的光荣事迹，激发起士气，鼓励他们在未来的战斗里面，和鬼子血战到底，决不向鬼子低头。
这里，不能不提一句，第五战区为了解救在滕县和日军第十师团濑谷支队浴血奋战的122师，多次命令从商丘调来的汤恩伯第20军团驰援滕县。可是，汤恩伯却以所部王仲廉第85军距离滕县距离较远为<div>