南京沦陷后，日军为了打通津浦铁路，占领陇海铁路东段，使其南北方兵力相互配合包围武汉，因此攻击重点指向战略要地徐州。
1938年2月，日军突破淮河，由于山东省主席韩复榘的十万大军不战而退，使得日军轻松占领了济南、泰安、兖州、邹县、济宁、青岛、蒙城等地，直逼滕县和临沂。滕县和临沂此时已经成为中日双方军队争夺的战略要点。
进攻滕县的日军是矶谷廉介的第10师团第33旅团，旅团长濑谷启，下辖两个联队，分别是福荣真平的63联队和赤柴八重藏的第10步兵联队。面对日军的价格，第五战区司令长官李宗仁命令邓锡侯的第22集团军防守滕县，第22集团军下辖两个军，分别是第41军和第45军。
在日军向滕县推进的时候，第45军在界河东西的香城、九山、王福庄、金山一线构筑工事，阻滞日军的推进。1938年1月中下旬，第45军在两下店、兖州、邹县、曲阜、小雪村、凫村等地袭击日军，缴获了日军的武器弹药、军用地图、文件、作战资料等，打击了日军的嚣张气焰，鼓舞了我军的士气。
第45军成功袭击日军，使得滕县人民大力支持国军作战，不仅为军队烧茶送水、筹备粮草、腾房让屋、引路导向、刺探敌情、协助站岗放哨外，还帮助修战壕、挖掩体，组织义勇队、救护队、担架队、运输队等，出现了军民联合抗日的动人情景。到了1月底，滕县人民送到第45军125师师部部的猪百多头，粉条千多斤，大白菜一万多斤。滕县人民的抗日爱国拥军行动，极大地鼓舞了将士的士气与斗志。
1938年3月9日，日军向滕县发起总攻，飞机、大炮狂轰滥炸，多次组织冲锋，但都被国军打退。3月10日，孙震总司令调整部署，命令122师和364旅进驻滕县县城，同时任命122师师长王铭章为第41军前方总指挥。
3月12日拂晓，日军主力攻击香城，3小时后国军撤退至普阳山防御，日军在向普阳山进攻的时候，以一部分兵力佯攻，其主力向国军右后方迂回，向滕县方向前进，不仅如此，日军在切断了普阳山守军与外界的联系，在龙山脚下击溃国军的预备队，中国守军向滕县撤退。
与此同时，济宁赶来的日军向界河一线的左翼石墙、深井等阵地发起进攻，最终在敌众我寡的情况下，国军放弃石墙，防守深井，与此同时普阳山守军也转移至黄山，并派出372旅734团驰援深井。
3月15日9时，日军第10步兵联队在界河南安楼、房岭地区集结，11时25分日军将第12中队留在界河驿警备，主力向滕县防备薄弱的东部发起攻击，15时日军推进到崔家庄，向龙山店-东郭-王庙一线攻击前进，中国军队顽强防守多次击败日军冲锋，双方伤亡惨重。20时50分，日军第10联队集结在姜家楼、王庙一线，联队长赤柴八重藏判断川军主力集结一线，滕县附近无大量兵力，决定抛开当面阵地，第二天拂晓以两个大队兵分两路乘虚攻击滕县县城。
此时的滕县城内没有一支战斗部队，在此紧急关头，王铭章急调727团和一个营的战斗部队回城防守，并任命727团团长张宣武为城防司令，负责守城。同时王铭章还下令让122师266旅火速回滕，为保险起见，王铭章还向司令部求援，孙震接到王铭章的电话后，急忙向汤恩伯军团的王仲廉军长联系，请求火速增援，但是这个王军长以等军团到齐才能北上为由，按兵临城不动，孙震无奈之下，只得让总部特务营的3个步兵连在刘止戎营长带领下乘火车驰援滕县城。
3月16日8时，日军第10联队第1大队抵达滕县城下，10时日军野炮第一大队抵达滕县，随即日本驻北平南苑机场的日本陆军飞行队轰炸滕县城，两个小时轰炸滕县城内外共落炮弹三千多发。11时15分，滕县东南角城墙被日军炸开了一二米宽的缺口，在日军冲到缺口时，国军371团1连70余人同时向日军投掷手榴弹，日军伤亡惨重，逃生者不足10人，之后日军又组织了两次进攻，都被中国守军打退。
16日14时许，日军第3大队赶到滕县进攻南门，丢下了百余名尸体，中国守军伤亡也很大。17时许，日军飞机和大炮轰炸东关正面阵地，步兵改用一次三个排，每排相距百余米的形式进攻，面对日军的进攻，中国守军接连打退第一、二排的进攻，第三排冲上来后双方展开肉搏，均伤亡惨重，最后仍有40多名日军突入关内，这些日军直到天黑才被全歼。
21时许，王铭章决定放弃滕县外城阵地，把41军所属部队全部调进城内，集中兵力防守，午夜过后，在大坞、洪町、高庙和北沙河驻守的中国守军全部回到滕县城，王铭章命令全军深沟高垒，多挖防空洞，绑捆云梯，准备登城迎击。
3月17日6时，日军飞机和大炮轰炸滕县城，8时日军的十余辆坦克掩护日军从东寨墙的塌口冲过，中国守军英勇堵击，用集束手榴弹炸毁两辆日军坦克，中国守军弹尽粮绝后，举起大刀，跃入敌群猛砍，将爬上城墙的日军全部消灭，夺回了阵地。
14时，日军用12门重型榴弹炮猛轰南城墙，三十架余飞机狂炸南关守军，南城墙被撕开了一个缺口后，600余名日军在十余辆坦克的掩护下猛扑南城，15时半日军占领了南城墙，随即日军向东关发起进攻。
日军进攻东关的时候，王铭章亲自城中心的十字街口指挥作战，15时许日军占领西城门楼，随即集中火力向城中心十字街口扫射。王铭章准备转移到西关火车站继续指挥守城，他刚到西关电灯厂附近，就不幸被西城门楼上的日军发现，一阵密集的扫射后，王铭章师长和参谋长赵渭宪、副官长罗甲辛、少校参谋谢大墉、第124师参谋长邹慕陶以及随从十余人全部为国捐躯。
1938年3月18日中午，日军完全占领滕县，滕县沦陷。