十六日黎明，日軍繼續向界河一帶四十五軍陣地猛攻；迂迴至馮河、龍陽店一帶之日軍開始向守備滕縣東關的警戒部隊進攻。八時許，敵集中炮兵火力向滕縣東關、城內和西關火車站射擊。同時，敵飛機十余架飛臨滕縣轟炸、掃射。駐在西關的王銘章在敵開始轟炸後，通過電話詢問情況，隨後跑步進城，與同僚、部屬協商判斷東郊之敵即將大舉進攻，大戰迫在眉睫，作戰應變方案有兩個，一是死守孤城；二是出城機動作戰。會後，王銘章立即向集團軍總司令孫震報告，孫震答覆説：“委員長來電話要我們死守滕縣，等待湯恩伯集團前來解圍，湯部的先頭部隊昨日已到臨城，其後續部隊亦正陸續趕到。我當催促王廉仲軍趕緊北上，你應確保滕縣以待援軍。你的指揮部應立即移到城內，以便親自指揮守城，如兵力不夠，可把城外所有的四十一軍部隊調回一城內，固守待援！”王銘章下定了決心，昭告全城官兵，“決心死守滕城，我和大家一道，城存與存，城亡與亡。”他還命令將南北城門堵死，東西城門暫留交通道路，也隨時準備封閉。師部和直屬部隊也由西關移進城內．

　　日軍自八時開始，持續炮擊了兩個小時，十時許停止射擊，沉寂了約三十分鐘，突然集中炮火猛轟東關南半部寨墻的突出部炸開了十余米寬的一個缺口。敵集中數十挺機槍對準缺口掃射，以掩護步兵進攻。守軍官兵毫不畏懼，沉著應戰，隱蔽在缺口兩側，當敵兵約五、六十人剛下到寨壕將要向缺口衝鋒時，向敵猛投手榴彈，將敵大部殲滅。就這樣，擔負缺口段守備的一連，接連打退敵軍三次衝鋒，而自己也傷亡近百，由預備隊替換下來。當午二時，日軍再向東關東北角猛攻；五時，又猛攻東關門，均被守城部隊擊退。日軍遺屍纍纍，守軍亦傷亡慘重。當晚，戰鬥停止。 滕縣正面四十五軍部隊經三天浴血奮戰，傷亡過半。十六日午，正面陣地被敵突破。四十五軍從滕縣兩側撤退。當晚，四十一軍一二四師和一二二師七二七團奉命陸續進入滕縣。三六六旅中途遇故，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；在城墻下隱蔽的部隊，每班扎一架雲梯，隨時準備登城反擊。

　　援軍湯恩伯部王仲廉軍十五、十六日陸續到達臨城，先頭部隊一個團剛下火車，孫震以滕縣情況緊急，令其前往增援。該團在南沙河遭圍攻滕縣日軍一部攻擊，不支潰退，其它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，便藉口機動作戰，將部隊迂迴向滕縣東北峰山以東地區開去。於是南沙河之敵向前推進，二十二集團軍總部不能抵抗，遂後撤至運河南岸利國驛，從此與滕縣守軍失去聯絡，滕縣完全陷入日軍四麵包圍之中。

　　日軍在滕縣碰上硬釘子，出乎意料，遂于當夜，調集精銳部隊，配屬數十輛裝甲戰車和大量炮兵，十七日六時許，敵集中炮兵火力，猛烈射擊滕縣城區，敵機二十余架瘋狂投彈掃射，整個滕縣城硝煙瀰漫，房倒屋塌，頓成一片火海。兩個多小時的轟炸之後，敵開始向東關進攻，以十余輛坦克為先導，掩護步兵從東寨墻的缺口衝鋒。東關守軍冒著敵人炮火，在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墻進攻，守軍一個連，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。敵步兵四十余人衝上城角，守軍另遣一個連向突入之敵反擊，經激烈肉搏，全殲突入之敵，該連官兵僅剩十四人。此時，王銘章急電孫震：“敵以炮火猛轟我城內及東南角城墻，東關附近又被沖毀數段，敵兵登城，經我反擊，斃敵無數，已將其擊退，若友軍深夜無消息，則孤城危矣。”