午二時，日軍以重炮猛轟南城墻下街道，同時，敵機二十余架轟炸南關。隨後，敵步兵在坦克掩護下進攻南城。守軍英勇戰鬥，傷亡殆盡，敵軍攻佔南城墻。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。王銘章見援軍無望，再給孫震一電，表示：“決心死拼，以報國家。”

　　王銘章在敵軍攻佔南城墻和東關後，親臨城中心十字街口指揮作戰。此時，佔領南城墻之敵在機槍火力掩護下，從西南城角向西城墻逼進，敵炮兵集中火力射擊西門城樓。西門、火車站守軍失去城墻等工事掩護，暴露在敵火力之下，傷亡極大，仍堅持抵抗。下午五時，敵佔領西城墻和西門，王銘章命令城內各部與敵巷戰，西關守軍死戰待援，自己登上西北城墻，親自指揮警衛連一個排進攻西門城樓。因敵火力猛烈，城墻上毫無掩蔽，該排全部陣亡。此時，玉銘章決心到西關指揮守軍繼續戰鬥，行至西關電燈廠附近，遭西門城樓敵密集火力射擊，王銘章身中數彈，當場犧牲，同時殉難的還有參謀長趙渭濱及一二四師參謀長鄒紹孟等人。王銘章將軍犧牲後，守城官兵仍繼續與日軍搏鬥，除少數突圍外，其餘皆灑盡了最後一滴血。

　　滕縣之戰，王銘章將軍指揮第四十一軍，挫敵兇鋒，阻敵銳進，為徐州一帶中國軍隊的集結贏得了時間，也使日軍第十師團受到較大損失，為爾後的臺兒莊大捷，創造了有利條件。徐州會戰的指揮官、第五戰區司令長官李宗仁將軍高度評價説：“若無滕縣之苦守，焉有臺兒莊大捷？臺兒莊之戰果，實滕縣先烈所造成也！” 國民政府對玉銘章將軍奮勇抗戰給予高度評價，並追贈為陸軍上將。

　　王將軍靈樞經武漢、重慶、成都運回其家鄉新都，沿途各地紛紛隆重舉行悼念、祭奠儀式。在武漢舉行迎靈公祭儀式時中共中央代表吳玉章、董必武，八路軍代表羅炳輝、齊光，《新華日報》代表吳克堅等前往參加。吳克堅致悼詞説：“王師長等殉國烈士的鮮血，不僅洗滌了他們在川軍二十年的罪愆，而且更加振奮了全國軍民槍口一致對外的民族精神。他們是對得起四川的父老、對得起國家的。王師長是我們炎黃的優秀子孫，是保國衛民的英勇戰士，是中國的模範軍人，他的死為國家、為民族、為全中國人民，他的勳名將永垂史冊，他的精神將永遠不死！”毛澤東和秦邦憲、吳玉章、董必武等還聯名撰贈輓聯：

　　“奮戰守孤城，視死如歸，是革命軍人本色； 決心殲強敵，以身殉國，為中華民族增光。”