局势在进一步恶化。
第二天的守城战由于日军第四十联队和界河方向的部队一路烧杀赶到的晚，投入战斗时间也晚。
虽然打的惨烈，城内守军还是支持到了晚上。第三天就不同了，战场更加惨烈，守军更加困难了。
第十、第四十联队都是鬼子精锐，装备精良，战术素质也高。而守军却是中国装备最差的部队，连门可以打坦克的战防炮都没有，唯一比较充足的武器是第五战区战前运进来的一列车手榴弹。手榴弹最多扔几十米远，鬼子坦克、装甲车上的炮和机枪却可以打几千米远，这场战斗注定是场一边到的战斗。何况现在鬼子进城了，又是百倍警惧，守军就是再勇敢、再不怕牺牲，想用集束手榴弹再去炸鬼子坦克。那也得有机会才行，一般情况下战士们到不了坦克跟前就会被鬼子打死的。
鬼子兵力雄厚，这一次又是全面进攻，四处开花，打到中午的时候，守军已被鬼子分割成了几块，在苦苦支撑，眼见再不突围的话，部队就会就要全部牺牲在这滕县城里了。
王铭章再次给孙震发报，讲明城内情况，最后表明态度：“以”军薄弱的兵力和破败的武器，担当了津浦线上保卫徐州的第一线的重大任务，力量已不够是不言而喻的。我们身为军人。牺牲原为天职，现在只有牺牲一切以完成任务，虽不剩一兵一卒，亦无怨尤。不如此则无以对国家，更不足以赎川军二十年内战之罪憩了！职等决心死拼。以报国家！”
孙震接报后，知道城内情况已危险之极，王铭章发的是绝命电，遂下令陈鼎勋率城外的二十二集团军三个团冒死攻击，牵制日军，减轻城内压力。同时将王铭章电报转报李宗仁，附电询问二十年团到底在什么位置，为何不向临城、枣庄之日军发动攻击？如二十年团不能如期发动攻击，可否令王铭章突围，在敌后机动，威慑日军？
李宗仁此时心里已非常窝火，滕县方向”军在浴血拼杀，汤军团却动作迟缓。看起来，这滕县必须再坚守几天才行，否则的话，汤军团就不可能部署到位，更别说对日军实施围歼了。
但是，现在的情况已经很明显，滕县已经坚守三天，不可能再坚守下去了，今天就可能陷落。问题是滕县失守后，日军后续队伍就可能涌向临城、枣庄，直至攻向台儿庄。到时候，如果临沂方向和鲁西南方向再出现变故，日军第十六师团、第五师团再集中兵力杀向徐州来的话，不要说消灭日军攻向台儿庄的部队了，能不能守住徐州都成问题。
李宗仁绕室徘徊半天，再次给蒋介石发报，要求第一战区部队务必配合第三集团军阻击日军第五师团，使其不能东进。请求蒋亲自给汤恩伯电令。促其迅速部署，确保围歼孤军突出的日军第十师团凝谷支队。
发完给蒋介石的电报后，李宗仁坐在桌前，手指不停地敲击着桌子，边敲边想，既然是口袋，装一个联队是装，装两个联队是装。装三个又有何妨？日军第十师团经过二十二集团军几天来的拼死搏杀，伤亡一定很大，就放他们到台儿庄来，调集大军给它来个一锅恰，打一个系统前所未有的大胜仗，振奋一下国人的抗日精神。单是消灭第臼联队有点小家子气，对战局也没有太大影响。
想到这里，李宗仁叫来参谋长徐祖贻，请他再次去临沂前线，协调指挥临沂各军行动，务必确保消灭日军第十师团濒谷支队前不让临沂日军前来增援。
徐祖贻欣然受命，与李宗仁探讨一阵临沂战局后，就去准备出发了。
李宗仁喝口茶，想清静一会儿，但脑子里跑马一样，一会儿是孙震的电报，一会儿是川军初到时破烂的军服和一张张黑瘦的脸。想了一会儿，李宗仁觉得战局大的方面筹划已定，与其让王铭章部全部牺牲在城里，不如退出城外，断敌后路。最起码可以收到袭扰敌人后方的作用。遂电令孙震，在滕县城外的二十二集团军各部，马上投入战斗，全力支援城内王铭章部战斗。夜里务必对敌发起袭扰作战，使敌摸不清我军虚实。至于城内部队何时突围，李宗仁明确指出：二十二集团军在界河、北沙河、滕县浴血拼杀几天几夜，表现出了川军英勇抗战之精神，为全军树立了典范。滕县能够坚守三天，殊为不易。为了保证后续作战胜利，特令二十二集团军守城部队选择时机突围。突围后，部队向西转移休整。两日后渡过北沙河，相机夺取界河，切断日军退路，并与第三集团军联系，共同担任断敌第十师团退路的任务。
接到李宗仁的电报，孙震急忙给王铭章发报，命令其组织一切力量固守，把部队集中起来，天黑后突围。并通报已令城外三个团全力进攻，策应守城。
孙震的电报，等于是给已经极端困难的守军打了一支强心针。本来已经是频死的人了，忽然知道有了一轼坐机。爆发出来的求生意志是非常强大互铭章的命笼。毛经被日军分割的各部队决死反击，王铭章、张宣武、王振文都带着警卫直接上火线拼杀，硬是把日军的攻势打得一挫，各部队的防线趁机恢复了联系。
从早上打到现在，日军也打的疲倦了，见川军拼死反击，濒谷启以为是回光返照，命令部队巩固阵地，四面围困，抓紧时间吃饭。等吃完饭，一鼓作气，全歼守军。
陈鼎勋奉命率领部队增援滕县守军，他知道日军已经完成对守军的包围，并压缩至县城一角，解围谈何容易？只能攻敌之必救。迫使敌人分兵，减轻守军的压力。于是，陈鼎勋把目光盯住了日军的炮兵阵地。但是，敌人炮兵阵地在滕县城东关，部队要绕到那里，必须运动到前十里铺、后屯一线，才能去抄日军炮兵阵地的后路。这个。时候，天上的日机正愁找不到目标呢，要是绕这么远去攻击敌人炮兵阵地，那和去送死没什么区别。
思来想去，陈鼎勋决定先攻击距离最近的西关，争取打通一条与城内守军的通道，实在不行就大造声势，让鬼子以为援军赶到，分兵前来阻击。等晚上再去攻击日军的炮兵阵地，掩护守军撤退。
攻击前，陈鼎勋多留了个心眼，部队运动到位后，以一个团去攻西关的鬼子阵地，两个团在种塞和大彦村之间设伏，准备给追击的鬼子来一家伙。
仗打到这份七，战士们早已打红眼了，命都不算什么了，因为死，的弟兄太多了，真正应了那句话：“人到战场不是人，命到战场比草贱。”所以，三个团争着去担任攻击任务，最后，人数比较多的,万师缩编的团夺得了攻击任务。
陈鼎勋毕业于保定陆军军官学校二期，算得上军中宿将，又爱看”剧，对古人的谋略很是敬佩。他交待带队的团长，不要死攻，要用两个连布置疑兵，把全部军号都带上，打响后所有冲锋号都给老子吹响，让鬼子知道我军增援大军赶到，让他们自动收缩阵地，不敢放手围歼守军。撤退时要快，否则鬼子的骑兵、坦克都会追上你们，那就不妙了。
陈鼎勋的意思军官士兵都清楚，就是要向诸葛亮一样大布疑兵阵，吓退鬼子。
,万师进攻的时间正是日军换防吃饭的时候，枪声一起，十几把军号同时吹响，一个团的士兵扑向了滕县西关的日军。
担任西关警备掩护任务的日军见中队来势凶猛，一边求援，一边向西门收缩，企图凭借城墙工事固守。
凝谷启接到报告，以为真的是中队援军大至，慌忙令第四十师团增援西关，坚决击退中队援兵。后来，见这支中队很快就退兵了，湘谷启就觉得受了愚弄，这支军队充其量就是团级规模，凭他们也想来救援滕县守军，简直是做梦。不过，老是又这样一支军队在城外窥伺，也很麻烦，说不定他们会袭击愕重部队的。
于是，湘谷启下令四十联队派出骑兵大队和两个中队的步兵前去追击，务必消灭这股支那部队。
鬼子这一出城追击，正中城件川军的下怀，没有重火力，攻不开城门，打打小伏击总可以吧！结果，追出城的日军自然是钻进了”军的伏击圈。不过，川军确实是火力太差，让鬼子逃回来了一部分。
逃回的鬼子向四十联队报告了在种寥和大彦村遇伏，伤亡惨重的情况，湘谷启这才确信，城外确实有中队大部队，最少也是师级规模，随时可以抄日军的后路。湘谷启不惊反喜，马上命令第四联队出城，消灭这个中国师。
第化联队这一出城追击，王铭章等人感觉压力顿时一轻，集中精神对件日军的新一轮攻击。
这一打，就打到了天黑，守军自然是伤亡越来越大，日军也没有好过到哪里去。用第十联队联队长赤柴八重藏大佐的话说，进入支那以来，第十师团所向无敌。只有两次作战大大不利。一次是被支那刘一民教导师伏击，想起来都让人毛骨悚然，那是一片血肉模糊，精锐的皇军士兵象砖头瓦块一样，被刘一民部队砸的粉碎。第二次就是这次滕县攻击战，当然，滕县守军不能和刘一民的教导师比，那是一群看不见的魔鬼，吃肉不吐骨头。不过，这滕县守军虽然没有刘一民教导师那么恐怖，但他们打的是以命换命，连伤员都拉响手榴弹和皇军同归于尽，造成进攻部队伤亡巨大小小的滕县县城竟然是一块啃不动的钉子。
天黑后，王铭章和张宣武将部队收缩，固守在南城墙一带，准备突围。这一收缩，王铭章把牙都咬掉了两颗。守城开始时有哭多人，打了３天，沏０人变成了,曲来人，其中还包括三百多名轻重伤员。也就是说，４四名川军将士长眠在了滕县城内。
王铭章擦了把泪，命令张宣武，把所有部队整编成三个营，张宣武带一个制咙围井锋，王振文带个营远送伤员他亲自带一个营吧旧。掩护部队突围。
张宣武和王振文认为要走也是师长先走，绝对没有让师长殿后的道理。
王铭章制止了两个人，说道：“我们在滕县坚守三天，加上界河阻击战、北沙河阻击战、龙阳店阻击战，少说也打死了弛力多鬼子。我第二十二集团军虽然打残了，也值了。我们基本上是舔命换小鬼子一条命，虽然有点赔本，但那也是没办法的事。死了那么多弟兄，哪里多我一条命。你们放心，我这人命大，不会有问题的。”
张宣武和王振文不依，最后决定，王振文做突围先锋，张宣武殿后，王铭章率一个营带伤员转移。
结果，三百多伤员全部拒绝撤退，不愿意拖部队后腿，要求每人发五颗手榴弹，将他们安置在不同地方，由他们做最后的殿后部队。
王铭章心中不忍，但理智告诉他，带着伤员突围是不现实的。再说，现在打成了一锅粥，即令突围出去，能不能回到徐州还很难说，伤员得不到救治，也很难活下去。
就咬咬牙，下令将伤员隐蔽，每人发珊手榴弹。
突围开始前，王铭章给孙震发了电报，询问能否接应。孙震回电，陈鼎勋率领三个团下午和追击的鬼子激战，至今未能脱离与敌接触，计划晚上想法撤退。只有等他们摆脱了追击的鬼子，才能去攻击鬼子炮兵阵地，接应守军突围。
王铭章一想，趁陈鼎勋他们和鬼子交战，正好突围。随即命令王振文行动。
突围开始的时候进行的很顺利，第十联队经过几天激战损失很大，夜晚暂停攻击，处于警戒状态。王振文他们不强行攻击，而是在南城墙上靠上梯子，爬上城墙后用绳子缱下去。
刚开始的时候，王振文率领先头营先上了城墙，在两边架起了机枪，做好了掩护突围的火力准备。随后就让战士们攀着绳索往下溜。
当先头营顺利出城后，王铭章带人上了城墙，网攀着绳子缱下去，南城墙两边的鬼子发觉了，开始用机枪扫射，封锁突破口。
王铭章一见鬼子开始封锁，在城墙下面连声大喊：“用火力压制，掩护弟兄们快爬！”
一句话没有喊完，鬼子机枪一梭子打过来，直接击中了他。王铭章看了一眼鬼子的机枪方向，骂了句“龟儿子”就轰然倒下。
参谋长赵渭滨和四师副参谋长郜邵孟见王铭章中弹，赶紧都往跟前跑，查看伤势，结果鬼子的机枪又是一梭子打来，二人都中弹当场牺牲。
见师长、参谋长殉国，尚在城墙上的一二二师警卫连硕果仅存的一个排全都红了眼，呐喊着向鬼子扑去，与敌人杀在了一起。可惜鬼子火力太强，这个排全部壮烈牺牲。
发觉守军突围，濒谷启暴跳如雷，严令部队追击阻截。鬼子就在南城墙下，与张宣武率领的掩护部队激战。
看看部队都快突出去了，张宣武下令掩护部队分批登上城墙，快速缱城，这个时候传来了王铭章殉国的消息。张宣武还不太相信，但一看王铭章警卫排的战士们疯了一样向鬼子猛扑，就知道是真的了。
张宣武端起机枪，站起来对着追上来的鬼子猛扫，边扫射边喊：“小鬼子，我日你八辈祖宗”。
打完一梭子，网换上新弹匣，张宣武就感觉自己被猛推了一把，直接摔到了地上。朦胧中，张宣武感觉到几个弟兄把他背上，顺着梯子爬上了城墙，以后就昏迷了。
最后，真正阻挡了鬼子追兵步伐的，是那三百多名轻重伤员。
见部队突围受阻，轻伤员们马上就持枪投入战斗，在鬼子追兵屁股后面开火，边开火边高声叫骂，吸引鬼子注意。等鬼子转向来消灭这群伤员的时候，轰轰隆隆的集束手榴弹爆炸声就此起彼伏地想起来了，往往是一个伤员炸倒一片鬼子，那种惨烈场面把鬼子彻底吓破了胆，再也不敢追击了，眼睁睁地看着突围的士兵们背着长官的尸体隐进了黑夜中。
突围部队和城外部队汇合后，第二十二集团军总司令孙震检阅了突围出来的五百多名勇士，逐一给每个战士敬礼。最后，孙震查看了王铭章、赵渭滨、部邵孟的遗容，庄严地行了军礼，就带着部队转移了。
夜里２点，部队转移到安全地带后，孙震含泪给蒋介石、李宗仁、那锡侯发报，报告滕县保卫战经过和国民革命军一二二师师长、陆军中将王铭章殉国的消息。