虽然夺回阵地，“但形势依然严峻，不容乐观，兵力不足的弱点显露无疑。3月16日上午八时许,敌集中炮兵火力向滕县东关.城内和西关火车站射击.同时,敌飞机十余架飞临滕县轰炸.扫射。”
“驻在西关的王铭章在敌开始轰炸后,通过电话询问情况,随后跑步进城，与同僚，属下协商判断东郊之敌即将大举进攻,大战迫在眉睫。”
“作战应变方案有两个,一是死守孤城;二是出城机动作战.会后，但是无论哪个方案，都需要兵力支持，他们现在最需要的就是人，王铭章立即向集团军总司令孙震报告.孙震答复说:”委员长来电要我们死守滕县,等待汤恩伯集团前来解围,汤部的先头部队昨日已到临城,其后续部队亦正陆续赶到.我当催促王廉仲军赶紧北上,你应确保滕县以待援军.你的指挥部应立即移到城内,以便亲自指挥守城,如兵力不够,可把城外所有的四十一军部队调回，固守待援。”
“王铭章默默无语，现在他以无兵可调，看来援兵指望不上了，他知道川军没有别的选择，唯有死战，日军于16日夜,调集精锐部队,配数十辆装甲战车和大量炮兵,准备大举进攻滕县.十七日六时许,敌集中炮兵火力,猛烈射击滕县城区,敌机二十余架疯狂投弹扫射,整个滕县城硝烟弥漫,房倒屋塌,顿成一片火海.两个多小时的轰炸之后,敌开始向东关进攻,以十余辆坦克为先导,掩护步兵从东寨墙的缺口冲锋.东关守军冒着敌人炮火,在近距离与敌展开殊死搏斗,伤亡惨重.，形势十分危机。”
“另一部日军向被轰塌的东南角城墙进攻,守军一个连,用集束手榴弹炸毁敌战车两辆,在敌密集火力射击下,该连伤亡殆尽.敌步兵四十余人冲上城角,守军另遣一个连向突人之敌反击,经激烈肉搏,全歼突入之敌,该连官兵仅剩十四人.此时,王铭章急电孙震:”敌以炮火猛轰我城内及东南角城墙,东关附近又被冲毁数段,敌兵登城,经我反击,毙敌无数,已将其击退,若友军深夜无消息,则孤城危矣.！
“孙震电催汤恩伯，可惜汤恩伯部各种因素导致行动迟缓，藤县守军陷入绝境。十七日午二时,日军以重炮猛轰南城墙下街道,同时,敌机二十余架轰炸南关.随后,日步兵在坦克掩护下进攻南城.守军英勇战斗,伤亡殆尽,敌军攻占南城墙.此时东面日军集中兵力猛攻东关,散步兵在坦克掩护下突入东关.王铭章见援军无望,再给孙震一电,表示:”决心死拼,以报国家.”
王铭章在敌军攻占南城墙和东关后,亲临城中心十字街口指挥作战.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进,敌炮兵集中火力射击西门城楼.西门,火车站,守军失去城墙等工事掩护,暴露在敌火力之下,伤亡极大,仍坚持抵抗.誓死不退。
下午五时,敌占领西城墙和西门,王铭章命令城内各部与敌巷战,西关守军死战待援,自己登上西北城墙,亲自指挥警卫连一个排进攻西门城楼.因敌火力猛烈,城墙上毫无掩蔽,该排全部阵亡.此时,王铭章决心缒城到西关指挥守军继续战斗,行至西关电灯厂附近,遭西门城楼敌密集火力射击,王铭章身中数弹,当场牺牲,同时殉难的还有参谋长赵渭滨及一二四师参谋长邹绍孟等人.王铭章将军牺牲后,守城官兵仍继续与日军搏斗,除少数突围外,其余皆洒尽了最后一滴血。
十七日孙震接到王铭章最后一电，知道情况危急，可手上已无可派之兵，整个集团军还有区区一个特务营的兵力，经月余苦战特务营屡次救险，伤亡不小。孙震与王铭章情同手足，就算是他亲自上阵也在所不惜。他只留下手枪连，令营长王止戎率三个连乘火车星夜往援，王庆生和王铭章不但同乡而且同族同宗可见他的心情是如何焦急。
王庆生等人赶到时为时已晚，守军战至十九日除十七人突围外其余全部战死，无一人被俘投降。藤县之死守为中国军队完成战略合围赢得了时间，第五战区台儿庄此役以死伤两万余人的代价几乎全歼矶谷师团，粉碎了日军南北合围的意图，扭转了中日战局整个态势。是继平型关大捷后第二个胜利，振奋了国人，也震惊了世界，中国人决不是好惹的。
王铭章是抗战初期中国军人战死的最高将领，在送灵柩回乡途中，所过之处万人空巷，民众含泪相送。中国共产党亦撰赠挽联；
奋战守孤城，视死如归，是革命军人本色；