大坞、小坞一带。傍晚，四十一军所属两个多团的兵力，放弃滕县外围阵地，撤到城里布防。各队分区、分段防守，彻夜整修工事。

夜间，日军矶谷师团调集第十师团和第五师团的一个旅，共3万余人对滕县东、南、北三面实施包围。

当天，日军侵占北沙河村，行疯狂地屠杀，制造了“北沙河惨案”。随后日军近县城，得知日軍兽行的数千名百姓惊恐万状扶老携幼城逃难。是夜，逃往颜吉山和孤山的一群众，在东沙河西南与日军搜索队遭遇，日军当即架起机枪行扫，无数难民倒在血泊之中……

3月20日，守軍经4天浴血奋战，伤亡过半，守軍仅有的2机枪和10火箭筒损失殆尽，督战队也仅剩李蟲等三人，李蟲等人率30名手下﹙多是调的川軍﹚撤至守军司令，拱卫总指挥王铭章。

3月21日日军以六十门山炮、野炮向滕县城轰击。20余架飞机临空投弹、扫。城里城外顿时硝烟弥漫，一片火海。8时后，日军坦克10余辆掩护步兵攻东关，同时用飞机疯狂地行低空扫。防守东关的第一二四师七四○团顽抵抗，死伤惨重，日军也遗尸累累。鲜为人知的是：当时该团还用机枪击落超低空轰炸敌机3架，城外的百姓看得一清二楚，其中，一架飞机的驾驶员尸體上有証件，上书有义棉次三郎的名字。可见战斗之惨烈。

同时另一分日军在七八辆坦克的掩护下，向城垣东南角轰塌冲锋。守军七二七团第二连组织敢死队以集束手榴弹炸毁坦克2辆，击毙日军五六十人，该连也死伤殆尽。

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日军四五十人再次冲上城角，营长王承裕命令第一连向突的日军反击。一阵手榴弹投之后，一连官兵又举起雪亮的大刀跃敌群猛砍，终将日军全消灭。但连长张荃馨以下138人为国捐躯，全连仅剩4名士兵，东南城角失而复得。日军再度受挫，遂中止攻。下午2时，日军突然以12门榴弹炮猛轰南城墙，二三十架飞机集中轰炸南关七四三团两个连的防守阵地，我方官兵伤亡过半，其余被迫转移到火车站附近。五六百日军在10辆坦克的掩护下猛扑，我方守兵全战死。3时半，日军攻占南城墙。同时，日军对东关守军发起更猛烈地攻击，寨墙被炮弹炸得塌陷破残，工事全被摧毁。这时，王铭章师长正亲临城中心十字路指挥督战。

3月22日，王铭章已超额完成了阻敌任务，但此时该已陷日军重围，难已脱。日军占领南城墙后，以机枪火力掩护步兵从西南城角向西城墙上的守兵压迫。同时，炮兵又集中火力猛轰西城门楼。下午5时，西门及西门以南的城垣落日军之手。日军占据城墙，从南、西两面集中火力向城中心十字街击。李蟲护着王铭章师长和幕僚随从等人，从西北角登上城墙。王铭章师长一边走边组织残反击日军。他命令边仅有的一个连，从西北城角向西城门楼猛扑。尚未接近西城门楼，即被日军机枪火力打倒，伤亡过半。王师长不得己被李蟲等人缒城，准备指挥守卫在火车站的三七二旅继续与日军搏斗。

城后，被西门城楼的日军发现，遭日军密集火力击，大家陷绝境，李蟲指挥警卫人员拚命向日军攻，掩护师长王铭章突围，无奈敌人人多势众，火力太猛，又占据有利地形，很快李蟲和警卫人员全阵亡。王铭章不幸腹中弹，他疾呼：“拖住小鬼，死守滕县！”此时日军又是一阵密集枪弹扫来，王铭章饮弹殉国。

消息传来，城内受重伤的300名川士兵引爆手榴弹殉城。

日军占领南城墙之后，东半日军抢占东南城墙。守军大战死，余皆退守东城门楼。同时，突东关的日军用大炮猛轰东城门楼，城楼中弹起火，城门被摧毁。在密集的机枪火力掩护下，日军步兵三四十人突东门。守军七二七团吴忠营即组织兵力将突日军全歼灭。黄昏时，终因守军弹尽援绝，东门落日军之手，残逐次退守东北城角和北面城墙。战斗中，城防司令张宣武团长负重伤，城内守军陷无人指挥，人自为战的状态。