激烈的战斗一直进行到中午12时．日军的屡次进攻均被中国军队击退，攻势受挫，被迫中止进攻，整顿态势，准备新的进攻。
下午2时，日军用12门榴弹重炮猛轰南城墙的正面，同时敌机二三十架集中轰炸南关。守备南关的743团两个连队，因昨天深夜才赶到滕县，匆忙布防，仅筑了一些临时掩体，没有坚固的防空设施，以至在很短的时间内便伤亡过半，剩余部队被迫向西关车站附近转移。南城墙被日军重炮轰击后，几乎夷为平地，守军740团的蔡钲营伤亡惨重，城墙的残垣断壁和砖石上沾满了战士们的血肉。日军停止轰击后，五六百个敌兵在10余辆坦克掩护下，立即扑到南城。守城的士兵以血肉之躯同日军死拼，下午3时半，日军占领了南城墙。在场督战的370旅旅长吕康、副旅长汪朝廉均负重伤。
正在这时，日军对东关再次发起更猛烈的炮击，寨墙被炮弹炸得犹如锯齿，多处倒塌，工事全被摧毁。东关守军失去凭借，死伤愈来愈多，同时手榴弹已经用尽，难以再战。日军突入东关，守军拼命抵抗。守备东关的740团团长王麟、团政训员胡清溪和守军一起阵亡。
激战至17日15时30分，日军由塌处突上城墙，迅速向东、西城墙扩大战果。守军残部由西门退至西关车站。不久，东关及西城门楼均为日军占领，仅余城内、北门及东北城角的守军仍在继续抗击。此时天色已暮，王铭章见日军已突入城关，还不见增援部队赶到，向孙震发出最后的电报：
7日晚，我援军尚未到，敌大部队冲入城，即督所留部队，与敌作最后血战。
电报发出，王铭章下令把电台砸毁，来到县城中心十字街口，指挥所部继续与日军作战，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近。同时日军炮兵集中火力袭击西门城楼和西门，守军大部死伤，西城楼和西门也被日军占领。王铭章命令城内各部与日军展开巷战，自己登上西北城墙，亲自指挥警卫连一个排进攻西门城楼。因日军火力猛烈，城墙上毫无掩蔽，该排全部阵亡。这时，王铭章决定到西关车站组织该地残部继续防守，行至西关电灯厂附近，遭到西门城楼的日军密集火力射击，王铭章不幸腹部中弹，趔趄倒地，随从们忙扶他起来，他疾呼：“抵住，抵住，死守滕县！”这时又一阵密集的枪弹扫来，王铭章又一次负伤。他见大势已去，危城难守，自己已负伤数处，不能行动，遂高呼：“中华民国万岁，抗战到底！”即用手枪，饮弹殉城。他的参谋长赵渭宾、副官长罗甲辛、少校参谋谢大埔、第124师师参谋长邹慕陶及随从10余人，也都同时为国捐躯。
滕县县长周同听说王师长殉难，急忙从城北赶来，抚摸着王铭章的遗体大哭，悲痛欲绝。缓步登上城墙，环顾四周，长叹一声，坠城身亡。
王师长英勇殉国的消息传到城内，受重伤的300名士兵以他为榜样，宁死也不落入敌手，于是互相以手榴弹自炸，全部壮烈牺牲。
王铭章为保卫滕县流尽了最后一滴血，是台儿庄会战中中国方面牺牲的最高指挥官。
王铭章将军牺牲后，守城官兵继续与日军搏斗，入夜之前，日军占领了东、南、西三面城墙，而东北、西北两个城角和北面城墙仍在中国军队手中。夜9时，守军二三百人突出重围。但在城内，与大部队失去联系的零星小部队仍在顽强地战斗，彻夜枪声未停，直至18日午前，滕县才算沦入敌手。
滕县保卫战自1938年3月14日早晨开始，至18日中午结束，共4天半，计108小时。守军第41军守城部队自第122师师长王铭章以下伤亡5000余人，在滕县附近界河、龙山、南、北沙河一带作战的第45军，自第127师师长陈离以下也伤亡四五千人。滕县整个阵地化为灰烬。进犯的日军伤亡也十分惨重，死伤达2000余人。
3月底，当台儿庄会战快要取得胜利时，第22集团军总司令孙震，怀着一种激动、欣喜、自豪、抑或有些悲伤、不平的复杂心情，向国民政府军事委员会上报了一份《关于滕县战役的战斗详报》。在论述“此役所产生之成绩及影响”一节中，他这样写道：
在滕县血战中，我集团以绝对劣势之装备抵抗高度机械化敌兵，于极不利于防御之地形上阻敌锐进，达三昼夜之久，弹尽援绝，继以白刃，更继之以拳，复继之以齿，终继之以血，以头颅，以达成巩固津浦北段，保障徐海，争取余裕时间使友军得以从容布置之任务。虽牺牲殆尽，亦不稍顾。则中国军队战斗意志之坚强，奉行命令之彻底，官兵
