激烈的战斗一直进行到中午12时.日军的屡次进攻均被中国军队击退,攻势受挫,被迫中止进攻,整顿态势,准备新的进攻。
下午2时,日军用12门榴弹重炮猛轰南城墙的正面,同时敌机二三十架集中轰炸南关。守备南关的743团两个连队,因昨天深夜才赶到滕县,匆忙布防,仅筑了一些临时掩体,没有坚固的防空设施,以至在很短的时间内便伤亡过半,剩余部队被迫向西关车站附近转移。南城墙被日军重炮轰击后,几乎夷为平地,守军740团的蔡钲营伤亡惨重,城墙的残垣断壁和砖石上沾满了战士们的血肉。日军停止轰击后,五六百个敌兵在10余辆坦克掩护下,立即扑到南城。守城的士兵以血肉之躯同日军死拼,下午3时半,日军占领了南城墙。在场督战的370旅旅长吕康、副旅长汪朝廉均负重伤。
正在这时,日军对东关再次发起更猛烈的炮击,寨墙被炮弹炸得犹如锯齿,多处倒塌,工事全被摧毁。东关守军失去凭借,死伤愈来愈多,同时手榴弹已经用尽,难以再战。日军突入东关,守军拼命抵抗。守备东关的740团团长王麟、团政训员胡清溪和守军一起阵亡。
激战至17日15时30分,日军由塌处突上城墙,迅速向东、西城墙扩大战果。守军残部由西门退至西关车站。不久,东关及西城门楼均为日军占领,仅余城内、北门及东北城角的守军仍在继续抗击。此时天色已暮,王铭章见日军已突入城关,还不见增援部队赶到,向孙震发出最后的电报:
7日晚,我援军尚未到,敌大部队冲入城,即督所留部队,与敌作最后血战。
电报发出,王铭章下令把电台砸毁,来到县城中心十字街口,指挥所部继续与日军作战,此时占领南城墙之敌在机枪火力掩护下,从西南城角向西城墙逼近。同时日军炮兵集中火力袭击西门城楼和西门,守军大部死伤,西城楼和西门也被日军占领。王铭章命令城内各部与日军展开巷战,自己登上西北城墙,亲自指挥警卫连一个排进攻西门城楼。因日军火力猛烈,城墙上毫无掩蔽,该排全部阵亡。这时,王铭章决定到西关车站组织该地残部继续防守,行至西关电灯厂附近,遭到西门城楼的日军密集火力射击,王铭章不幸腹部中弹,趔趄倒地,随从们忙扶他起来,他疾呼:“抵住,抵住,死守滕县!”这时又一阵密集的枪弹扫来,王铭章又一次负伤。他见大势已去,危城难守,自己已负伤数处,不能行动,遂高呼:“中华民国万岁,抗战到底!”即用手枪,饮弹殉城。他的参谋长赵渭宾、副官长罗甲辛、少校参谋谢大埔、第124师师参谋长邹慕陶及随从10余人,也都同时为国捐躯。
滕县县长周同听说王师长殉难,急忙从城北赶来,抚摸着王铭章的遗体大哭,悲痛欲绝。缓步登上城墙,环顾四周,长叹一声,坠城身亡。
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。
王铭章为保卫滕县流尽了最后一滴血,是台儿庄会战中中国方面牺牲的最高指挥官。
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国军队手中。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18日午前,滕县才算沦入敌手。
滕县保卫战自1938年3月14日早晨开始,至18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。
3月底,当台儿庄会战快要取得胜利时,第22集团军总司令孙震,怀着一种激动、欣喜、自豪、抑或有些悲伤、不平的复杂心情,向国民政府军事委员会上报了一份《关于滕县战役的战斗详报》。在论述“此役所产生之成绩及影响”一节中,他这样写道:
在滕县血战中,我集团以绝对劣势之装备抵抗高度机械化敌兵,于极不利于防御之地形上阻敌锐进,达三昼夜之久,弹尽援绝,继以白刃,更继之以拳,复继之以齿,终继之以血,以头颅,以达成巩固津浦北段,保障徐海,争取余裕时间使友军得以从容布置之任务。虽牺牲殆尽,亦不稍顾。则中国军队战斗意志之坚强,奉行命令之彻底,官兵之视死如归,可谓超今逾古,罕有其匹,而死事之烈,报国之忠,虽与日月争光可也。
滕县血战达到拘束敌人之目的。若无滕县之血战,则汤、孙两军不能于临城、台儿庄从容布置;汤、孙两军若布置未成,则运河危,徐州殆,焉有台儿庄之大捷?敌军若不受挫台儿庄,徐州必被一鼓而下。徐州既失,陇海路不保,则武汉亦失陷,武汉之失陷,影响于国人抗战意志之至大,而各种军事计划设施等亦必随之瓦解,其危险岂堪想像!故人谓之滕县之役,乃保证抗战胜利之表现,实不虚也。
我军于滕县浴血苦战,虽势力悬殊,然能取得同等代价,而将矶谷部队之锐气消磨殆尽;此役结果,影响所及中国军队自南京退却后几将不振之士气,为之复活。反之,敌军不可一世之骄妄气焰为之挫戢。尔后矶谷所部之徘徊韩庄、台儿庄运河线上,迟迟不进,能不谓为非受士气消沉之影响也……
为表彰王铭章将军,4月6日国民政府追赠其为陆军上将。全国各界特别是四川民众组织了盛大的悼念活动。
抗战中颇有声望的《扫荡报》发表了《滕县血战的印象》,其中第二段载:
“……在这短短的几天滕县血战中,有很多惊天地、动鬼神的故事,值得我们正视,值得我们泣诉!如122师师长王铭章、参谋长赵渭滨、副官长罗世泽;124师参谋长邹绍孟、傅哲民均已尽忠职守、为国捐躯了。未出城之两师官兵,仍利用城内的破壁颓垣,与敌抗拒。据我飞机报告,至18日午后犹与敌在城内混战中。当城破的时候,所有受伤官兵、未逃出城者,约千人左右,均以步枪或手榴弹与敌拼命或自杀,无一生还。抗战之烈,死亡之勇,前所未闻,实开守土殉城之先例。”
几乎与此同时,在距滕县120公里之外的徐州第5战区长官司令部里,李宗仁将军接受了一批中外记者采访。李宗仁操着桂林口音,缓缓说道:“从15日起,敌人冲破界河南窜,以数万之兵,经北沙河、东沙河,迫近滕县城猛攻。我122师师长王铭章中将,挥军血战,城外堡垒尽毁,即继以守城,城破继以巷战,十荡十功。直至18日午后;王师长以下全师殉城,至为惨烈。城破以后,除有机会跳城归队者外,
其中城中残留官兵,均战至最后,以手榴弹自戕,无一被俘投降。奉命之忠,死事之烈,克以保障徐淮,奠定抗战之基,睢阳之后,一人而已……”
李宗仁的一席话引起在场中外记者强烈共鸣。在场的记者就有一位西方记者流出了感动的泪水。她就是后来闻名中外的安娜·路易斯·斯特朗。她在自己的文章中这样描写自己的感受: