由于日军在界河、龙山、普阳山、滕县城关等处碰了硬钉子，伤亡惨重，于是矶谷廉介调集了第10师团和第106师团的一个旅团共3万多人的兵力、大炮70多门、战车四五十辆，于16日夜间向滕县城关东、南、北三面猛攻。17日上午6时左右，敌人以山炮、野炮密集攻击，二十余架敌机临空投弹、扫射，刹那间，炮弹炸弹如倾盆大雨。整个滕县县城除北关因系美国教堂所在地外，顿时硝烟弥漫，墙倒房塌，破坏惨重。下午3时30分，日军占领了南城墙。与此同时，东面日军对东关再次发起更猛烈的攻击，寨墙被敌炮炸开，阵地工事全部被摧毁。东关守军无所凭借，以致死伤愈来愈多，弹药(特别是手榴弹)也已告罄，因而在南城墙被敌占领之后不久，东面之敌步兵约五六百人在十余辆坦克的掩护下，突入东关。
得知南城墙和东关失守后，王铭章立即亲临城中心的十字街口指挥督战。日寇攻入南城、西城后，立刻集中火力向城中心十字街口射击。王铭章除令城内各部队与敌巷战，死守西关待援外，亲自登上西北城墙，指挥作战。他命令身边仅有一个排的警卫连从西北城角向西城门楼之敌猛扑，意欲夺取西门城楼。但是由于敌人火力太猛，全排战士壮烈牺牲。这时，西城门楼之敌继续向北压迫。王铭章准备转移到西关火车站继续指挥守军与敌拼搏。但是当王铭章行至电灯厂附近时，即被西城门楼之敌发现。此时，一阵密集的机枪扫射，王铭章及其部属、随从共二十余人为国献身。王铭章身中数弹，血流如注，但仍挣扎着身躯对部属说："你们快同敌人拼去吧!不要管我!"最后他呼喊："中华民族万岁!"便气绝身亡，年仅45岁。
