幾乎就在張自忠取得臨沂大捷的同時，矶谷廉介的第十師團向藤縣撲去。
津浦正面矶谷廉介第10師團自上月上旬占領兖州、濟甯、鄒縣一線後，非常輕狂，認爲當面中國軍隊不堪一擊，攻占徐州易如反掌，便沿津浦路向南突進。
3月15日，日軍一部抵滕縣附近。第22集團軍總司令孫震急令預備隊、第122師長王銘章率部死守滕縣，等待湯恩伯軍團增援。王銘章倉促上陣，守城兵力不過兩個營，于是緊急調兵遣将，急令第366旅由太平邑趕赴滕縣增援，但該旅在城頭村附近同日軍數千人遭遇，被截成數段，僅1個營沖進滕縣。
16日黎明，日軍步騎約5000人迫近滕縣東郊，首先向守備滕縣東關的警戒部隊進攻。
8時許，敵集中炮火向滕縣東關、城内和西關火車站射擊，同時，敵飛機10餘架飛臨滕縣狂轟濫炸。
駐在西關的王銘章在敵轟炸開始後，通過電話詢問情況，随後跑步進城，他判斷東郊之敵即将大舉進攻，大戰迫在眉睫，便昭告全城官兵：“吾決心死守滕城，我和大家一道，城存與存，城亡與亡。”随後命令将南北城門堵死，東西城門暫留交通道路，也随時準備封閉。師部和直屬部隊也由西關移進城内。
日軍自8時開始，持續炮擊了兩個小時，10時許停止射擊，沉寂了約30分鍾，突然集中炮火猛烈轟擊東關南半部寨牆的突出部，掩護步兵進攻。
守城官兵毫不畏懼，沉着應戰，隐蔽在缺口兩側，當敵兵約五六十人剛要向缺口沖鋒時，向敵猛投手榴彈，将敵大部殲滅。就這樣，擔負缺口段守備的一連，接連打退敵軍三次沖鋒，而自己也傷亡近百，由預備隊替換下來。
下午2時，日軍再向東關東北角猛攻；5時，又猛攻東關門，均被守城部隊擊退。日軍遺屍累累，守軍亦傷亡慘重。當晚，戰鬥停止。
滕縣正面45軍部隊經過3天浴血奮戰，傷亡過半。16日正午，正面陣地被敵突破。45軍從滕縣兩側撤退。
當晚，41軍124旅中途遇敵，繞道到達臨城。王銘章根據兵力變化情況，重新調整部署。同時，命令各部抓緊補充彈藥，構築工事；在城牆下隐蔽的部隊，每班紮一架雲梯，随時準備登城反擊。
援軍湯恩伯部王仲廉軍15、16日陸續到達臨城，先頭部隊1個團剛下火車孫震以滕縣情況緊急，令其前往增援。該團在南沙河遭到圍攻滕縣日軍一部攻擊，不支潰退，其他各部僅在南沙河警戒，其軍部到達後，得知滕縣正受強大敵軍圍攻，便借口機動作戰，将部隊迂回向滕縣東北峰山以東地區開去。
于是南沙河之敵向前推進，22集團軍總部不能抵抗，遂後撤至運河南岸利國驿，從此與滕縣守軍失去聯絡，滕縣完全陷入日軍包圍之中。
此時還在臨沂的華畢成來不及請示戰區長官部，直接以第五戰區副司令長官的名義給王銘章發電：“若援軍湯恩伯部不能抵達，122師可在遲滞敵進攻後，相機突圍撤退。”
王銘章拿着電報，苦笑道：“華畢成還真是宅心仁厚！劉兆慕你找了個好主子！”
旁邊的參謀軍官問道：“師座！那我們怎麽辦？”
“給華副司令回電，國家有難，匹夫有責！我師以抱定與藤縣共存亡之決心，不成功便成仁！”
接到回電的華畢成直搖頭，看來這位川軍師長的殉國還是無法避免了。
可惜湯恩怕不是張自忠，他是隻機動作戰，卻置藤縣的川軍不顧。王銘章一腔熱血，卻遠沒龐炳勳幸運。
矶谷自進入山東後，幾乎未遇到頑強死守一點的中國軍隊。今日滕縣碰上了硬釘子，大出意料。16日夜，下令調集精銳部隊。配以數十輛裝甲戰車和大量炮兵，猛攻滕縣。
17日晨6時，敵集中炮兵火力，猛烈轟擊滕縣城區，敵機20餘架瘋狂投彈掃射，整個滕縣城硝煙彌漫，房倒屋塌，頓成一片火海。兩個多小時的轟炸之後，敵開始向東關突進，以10餘輛坦克爲先導，掩護步兵從東寨牆的缺口沖鋒。
東關守軍冒着敵人炮火，近距離與敵展開殊死搏鬥，傷亡慘重。另一部日軍向被轟塌的東南角城牆進攻，守軍1個連，用集束手榴彈炸毀敵戰車兩輛，在敵密集火力射擊下，該連傷亡殆盡。敵步兵40餘人沖上城角，守軍另遣1個連向突入之敵反擊，經激烈肉搏，全殲突入之敵。
此時，王銘章急電孫震：“敵以炮火猛轟我城内及東南角城牆，東關附近又被沖毀數段，敵兵登城，經我反擊，斃敵無數，已将其擊退，若友軍深夜無消息，則孤城危矣。”
午後2時，日軍以重炮猛轟南城牆下街道，同時，敵機20餘架轟炸南關。随後，敵步兵在坦克掩護下進攻南城。守軍英勇戰鬥，傷亡殆盡，敵軍攻占南城牆。
此時東面日軍集中兵力猛攻東關，敵步兵在坦克掩護下突入東關。王銘章見城已四破而援軍無望，發出了最後一電，表示：“決心死拼，以報國家。”
南城牆與東關失守後，王銘章義憤填膺，親臨城中心十字街指揮督戰。敵軍炮火集中狂轟西門城樓、西關、火車站等處，占領南城牆的日軍繼續用機槍火力掩護步兵從西南城席向西城牆守軍進攻。王銘章再次下令一定固守西關和火車站，并部署兵力壓制敵人向西城樓進攻。
下午5時，西城牆和西門城樓陷落，日軍集中火力猛擊城中心十字街口。王銘章除令城内各部隊與敵巷戰，死守西關待援外，親自登上西北城牆，指揮作戰，王銘章命令警衛連僅餘的1個排，去奪取西門城樓，但是敵人火力太猛，全排壯烈犧牲。此時，王銘章決心轉移到西關火車站372旅，繼續指揮守軍與敵拼搏。當行至電燈公司附近時，西城樓敵軍居高臨下，一陣機槍射擊，王銘章及其部屬、随從共20餘人，大部爲國獻身。王銘章身中數彈，貫穿胸部，血流如注，但仍挺着身軀對部屬說：“你們快同敵人拼去吧！不要管我！”最後在艱難的“中華民族萬歲！”的呼喊聲中，氣絕身亡。
城中守軍繼續與敵人死拼，激戰至黃昏，東門失守。至此，日寇已占領了滕縣東、南、西三面城牆，但西北、東北城角兩個制高點和北城牆的守軍仍在頑強抵抗，直至晚9時，該部二三百人從北門安全撤出。這時，城中尚有一些零星部隊繼續與敵戰鬥。
至18日中午，仍不時響起槍聲，直至守軍全部英勇犧牲。西關、火車站的守軍，堅持戰鬥到18日夜，各方聯絡全部中斷，遂決心轉移。全城陷于敵手。
接到藤縣陷落的消息後，華畢成立即準備回徐州。
爲了讓張自忠更好的對付臨沂方向的闆垣征四郎，在華畢成的提議下，李長官将57軍劃撥給張自忠指揮。眼見着臨沂的戰局越來越穩定，華畢成放心的離開了張自忠的軍部。
臨行之前，張自忠又對華畢成說了一番感謝的話，華畢成看着面前這位滿身正氣的将軍不禁有些默然。華畢成真的很想提醒張自忠不要在襄河岸邊以身犯險，可是話剛到嘴邊華畢成卻又咽了下去。
對于“問天打卦”張自忠自然也不會相信。華畢成知道即使他說的再言之鑿鑿張自忠最終也隻會一笑置之，所以，不說也罷。