王铭章将滕县外围的部队全部撤入城内，决心与日军作最后一搏。日军久攻不下，日酋矶谷廉介恼羞成怒，狂叫道：把滕县给我统统炸平！面积仅8平方公里的滕县，落下的炸弹达3万发。
1938年3月17日上午，日军对滕县东关和东南城角的进攻接连受挫后，只得停止进攻，重新调整兵力。下午2时，日军再次发动了进攻。
这次进攻的主要方向是滕县的南关。
日军出动了20架飞机猛烈轰炸南关，同时又集中了12门重炮猛轰南城墙。经过1个多小时的轰炸，南城墙几乎被夷为平地，3丈高的城墙已不复存在，处处可以跨越了。
守在南关的是124师370旅743团的两个连，他们是16日深夜才从大坞村撤回县城的，时间紧迫来不及修筑坚固的工事，在日军空前猛烈的炮火轰击下，743团这两个连被炸死炸伤的超过半数，简易工事被毁，已无法再在南关藏身，只好退到西关车站组织抵抗。
南关形同无设防了。
而守卫南城墙的740团蔡钲营，在日军的炮火轰击下也是损失惨重，许多士兵的血肉和塌陷的城砖粘连在一起，因城墙全部倒塌，活着的士兵只能趴在乱砖上据枪还击。
日军轰炸过后，出动了十多辆坦克，掩护数百名步兵向南城墙冲了过来。
370 旅旅长吕康和副旅长汪朝廉见南城墙危急，立即赶到城墙根指挥督战。
日军冲过来了，打头阵的坦克的炮口喷吐着红光，机关枪不停地扫射，打得人抬不起头来，眼看着就要冲上塌陷的城墙了······
就在日军坦克在城墙前稍做停顿时，突然间几十颗手榴弹落到了坦克的甲板上和履带前，随着连续的爆炸声，日军两辆坦克爆炸起火了。
后面的日军坦克慌乱停下，用坦克炮对城墙继续轰击，疯狂的炮弹把已经塌陷的城墙再度掀翻，砖石乱飞，烟尘遮天。
炮击过后，日军坦克嘶吼着再度碾压过来，冲到了城墙拐角，又一次遭到几十颗手榴弹的袭击，日军一辆坦克被炸得撞上了南墙。
于是，日军后面的坦克再次停顿，再次开炮轰击。如此反复数次，直至下午3点半，日军才完全占领了南城墙。
370 旅旅长吕康和副旅长汪朝廉在战斗中皆负重伤，后被士兵抢回转送至城外。
日军占领南关后，又将主力转向东关，向这个令他们多次碰壁损失惨重的堡垒，发动了更为疯狂的攻击。
此时的东关已非昨日，坚固的城墙在日军立体火力的连续轰击下，多处倒塌，城垛被炸得犹如锯齿，壑壑牙牙残破不堪。坚守在此的740团已无工事可凭借，只能依托砖石阻击敌人。
日军五百余人，在十多辆坦克的掩护下，向东关冲了过来。
740团团长王麟和副团长何煜荣冒着敌人的炮火，冲到了东关城墙下，直接指挥部队阻击敌人。弹雨中，他们用尽全身力气呼喊着：
“打！把城墙上的敌人打下去！”
“机枪，封锁后面的敌人！”
“扔手榴弹！炸死龟儿子！”
王麟是川军中有名的勇将，川军出川抗日进入山西后，他不幸身染重病。在与日军交战时，他坐进一个大筐，让士兵抬到前线，直接指挥部队作战，其英勇之状，一时在军中广为传诵。
激战了半小时，部队的手榴弹扔光了，子弹也所剩无几。王麟朝部下高喊一声：“和鬼子拼刺刀！”
说完，他自己抽出了一把大刀。
就在王麟准备率军扑向敌人时，一发炮弹袭来，爆炸的弹片击中了王麟的面部，他一头栽倒在地。
“冲······”王麟说出了最后一个字，壮烈牺牲了。
“弟兄们，为王团长报仇！”
何副团长接过王麟手中的大刀，率领剩下的士兵扑向了敌人。
尽管官兵们杀退了面前的一股敌人，但是日军仍在不断地拥来，殊死搏斗后，740团大部牺牲，东关终于陷入敌手。
日军占领了南关和东关后，又集中炮火猛轰西门城楼，其步兵从西南城角向西城墙步步逼近。西城墙的中国守军寡不敌众，大部牺牲。战至下午5点，滕县的西门和西门以南的城墙落入日军手中。
日军占领多处要点后，其后续部队源源不断地拥入城内。守城的41军虽奋力还击，但死伤越来越多，已完全处于劣势了。滕县城内，死尸遍地，血流成河，轰炸燃起的大火持久不息地燃烧着，整个滕县城笼罩在焦烟中。川军战死的官兵遗骸及一些不能动的重伤员，大多被烈焰吞噬，被烧成了焦炭，其状之惨，目不忍睹。
滕县守卫战已到了最后时刻。
王铭章这时向第22集团军总司令孙震发去了滕县开战后的第5封急电：
17日17时，我援军尚未到，敌大部队冲入城。即督所留 王麟部队，与敌作最后血战。谨呈。
王铭章。叩。
这也是王铭章最后的“诀别电”。
电报发出后，他自言自语地说道：
“援军未到！援军未到！”
10万援军，你在哪里？
此时，汤恩伯的号称10万强兵的第20军团已经全部到达第5战区，其先头部队已抵达临城一天之久了。
还在3月14日滕县守卫战开打之日，第5战区司令官李宗仁就致电蒋介石，请求军委会把驻扎在河南东部的第20军团调归第5战区，增援津浦路。蒋介石从整个战局考虑，为了在徐州战区拖住日军，换取时间在华中重新部署防御，答应了李宗仁的请求。
军情似火，李宗仁随即发电报给汤恩伯，对汤说：“邓部（第22集团军）兵少械劣，正面薄弱，两翼空虚，恐难拒敌，已电呈委座调贵军团第85军驻商丘之一整师，由火车输送至滕县附近，作第22集团军之总预备队。”
按说，汤恩伯接到此电，应该立即行动。滕县告急，川军被围，同为国民党部队，应该奋不顾身前去救援。再者，徐州战局牵动全国，做为一个军团长，汤恩伯对此应有深刻理解。
然而，汤恩伯这时候首先想到的不是救援，不是全国战局的得失，而是自己去了第5战区听谁的指挥？自己的第20军团归谁指挥？做为蒋介石的嫡系部队，多年的宠纵，只认蒋介石及亲信为上，非嫡系的人来指挥他，他首先心里就不买账。
汤恩伯接到李宗仁电报，马上给蒋介石发去一封请示电，问：“恳明定本军归辖系统，以明职责。”
明明通知你归第5战区指挥，汤恩伯仍持怀疑。说穿了，他内心不愿归李宗仁指挥。
汤恩伯一面给蒋介石发电请示，一面答复李宗仁，因为李宗仁的电报指示明确，让汤恩伯的85军一个师赶快去滕县。汤恩伯给李宗仁的复电是这样写的：
“恳将本军团全部调津浦北段出击，避免分割零碎使用，以益战局而杜分散，或作无代价之消耗。”
说得冠冕堂皇，从军事上讲也有道理。但是，此时的滕县正在经受日军铺天盖地的轰炸，川军将士每分每秒都有人倒下，你汤恩伯不赶快派出一支部队救援，一定要全军团整体行动。难道不懂“军情似火”吗？
说穿了，还是不愿听从他人指挥，甚至连一个师也不想派出去让他人指挥。
蒋介石这时是重大局的，虽然他偏袒疼爱嫡系部队，但从全局战局着想，此时他不能保藏嫡系。接到汤恩伯的请示电，他马上给汤恩伯回了电报，命令汤恩伯的第85军赶快行动，务必在17日拂晓前到达临城。同时也明确告诉汤恩伯：你的部队现在隶属于第5战区。
85军这才上路了。
没想到从河南到徐州一路畅通，85军在16日夜里就赶到了临城。
如果汤恩伯此前不是来回请示，他的部队还应早一些到达临城。
汤恩伯军团的加入，让李宗仁在徐州地区与日军大战一场的信心大增。当汤军团的85军抵达临城时，李宗仁尚有一个固守要点、反包围进攻之敌的作战决心。3月16日，他给所属部队下达了作战命令，命令如下：
一、敌为牵制我鲁南之攻击，现集中济南以南之兵力，由铁路正面
向我第22集团军猛攻中。
二、战区为击攘沿津浦线南下之敌，从铁道东侧包围该敌，将敌聚歼于邹县以南地区。
三、第22集团军应在现地极力拒止敌人，俟第85军迁回成功后，转为攻势，以收前后夹击之效。
四、第85军除一部直接支援第22集团军巩固滕县城防外，主力由铁道以东地区向下看埠、邹县间迂回敌人，到达邹县南方高地附近后，相机向南与22集团军夹击两下店以南之敌而聚歼。
从这个作战命令看，李宗仁的作战决心很大，他要以滕县为点，吸引敌人，而以汤恩伯军团迂回包围敌人，滕县守军然后出击，前后夹击敌人。
决心再大再好，有两个前提条件必须做到，一是滕县必须守住，二是第85军必须尽快“直接支援第22集团军巩固滕县”城防。而这两个前提条件的根本，还是第85军必须尽快投入战斗。
但是，第85军却未能加入正面战斗，别说去增援滕县了，就是连迂回也未能做到。
当第85军第4师向滕县开进时，在滕县以南的南沙河与日军矶谷师团第63联队遭遇了。一交手，国民党军这支装备最好的嫡系部队打不过日军，节节后退，离滕县越来越远了。
孙震得知战况后，请汤恩伯再派兵投入战斗。汤恩伯这时已经抱定不与日军决战的方针，对孙震说：现在最重要的是守住临城与官桥正面，迂回消灭敌人。说毕，他命令自己的部队向日军的左翼迂回，朝着滕县东北的峄山以东方向去了。
把滕县丢在了一边。
滕县守军亟待汤恩伯军团增援解围的希望最终化为泡影。
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