全部調津浦北段出擊，避免分割零碎使用，以益戰局而杜分散，或作無代價之消耗。”實際上不肯令所部轉隸別人指揮。當夜21時，湯恩伯接蔣介石來電，令其“85軍即晚準備由商丘乘車經徐州向臨城輸送，務於17日拂曉前到達臨戒集結完畢”的命令，蔣介石同意第52軍也隨後東調，雖然隸屬於第5戰區，但全軍團仍待湯“到徐州指揮”。湯這才覆電李宗仁，應允令第4師出發。

15日11時，李宗仁又電告湯恩伯：“鐵道正面敵已突破界河陣地，進入二十里鋪附近”，速令第4師“先頭一部開往滕縣附近，增加第22集團軍正面之抗戰”，同時要求第85軍“主力集結臨城東北地區待機出擊”。

16日，當滕縣以北第45軍陣地相繼失守、第41軍第122師已被圍困於滕縣城中、前線形勢已極惡化時，第5戰區還在計劃將進攻的日軍消滅於滕縣北。當日16時下達作戰命令主要內容為：“（1）敵為牽制我魯南之攻擊，現集中濟南以南之兵力，由鐵路正面向我第22集團軍猛攻中。（2）戰區為擊攘沿津浦線南下之敵，從鐵道東側包圍該敵，將其聚殲於鄒縣以南地區。（3）第22集團軍應在現地極力拒止敵人，俟第85軍迂迴成功後，轉為攻勢，以收前後夾擊之效。（4）第85軍除一部直接支援第22集團軍鞏固滕縣城防外，主力由鐵道以東地區向下看埠、鄒縣間迂擊敵人，到達鄒縣南方高地附近後，相機向南與22集團軍夾擊兩下店以南之敵而聚殲之。在迂迴運動間，須派出極有力之右側支隊警戒前進。（5）第3集團軍應全線對當面之敵反攻，並以有力部隊由濟寧以北地區向兗州以北攻擊前進，努力截斷敵之歸路並阻止其增援。”第85軍第4師先頭部隊在到達滕縣以南的南沙河時，與向臨城迂迴的日軍第63聯隊先頭部隊遭遇。湯恩伯抱定“避免臨城決戰”的方針，急令第85軍以“第89師舒旅（第267旅）佔領臨城、官橋正面”，“主力向東西集山、鳳凰莊一帶集結”，沒有派部隊增援滕縣。這樣，第22集團軍急切盼望湯恩伯軍團的先頭部隊第85師增援的希望化為泡影。由於增援滕縣的援軍未能及時派出，使滕縣守軍的壓力驟增，形勢急劇惡化。

17日晨，日軍第63聯隊開始向官橋進攻，日軍更大的進攻又開始了。日軍五六十門山炮、野炮向縣城猛轟，敵機20餘架瘋狂地投彈掃射，整個滕縣城頓時火光沖天，硝煙瀰漫，爆炸之聲震天撼地。這樣連續轟炸了2個多小時後，日軍開始向東關進攻。日軍以10餘輛坦克為先導，掩護步兵向東寨牆轟開的缺口衝鋒，同時以炮火分向東關全線和城內施行遮斷射擊，以牽制中國守軍的臨時調動和中國軍隊後線的增援，敵機更是如烏鴉似的滿天飛，瘋狂地進行低空掃射。防守東關的第124師740團團長王麟率領兩個營死守東關，冒著猛烈的炮火，在近距離與日軍展開殊死搏鬥，雙方均傷亡慘重，遺屍累累。

激烈的戰鬥一直進行到中午12時．日軍的屢次進攻均被中國軍隊擊退，攻勢受挫，被迫中止進攻，整頓態勢，準備新的進攻。此時，王銘章再次急電孫震，報告戰況：

敵以炮兵猛轟我城內，及東南城牆，東門附近又沖毀數段，敵兵登城，經我反擊，斃敵無數，已將其擊退，若友軍深夜再無訊息，則孤城危矣。

下午2時，日軍用12門榴彈重炮猛轟我南城牆的正面，同時敵機二三十架集中轟炸南關。守備南關的743團兩個連隊，因昨天深夜才趕到滕縣，匆忙佈防，僅築了一些臨時掩體，沒有堅固的防空設施，以至在很短的時間內便傷亡過半，剩餘部隊被迫向西關車站附近轉移。南城牆被日軍重炮轟擊後，幾乎夷為平地，守軍740團的蔡鉦營傷亡慘重，城牆的殘垣斷壁和磚石上沾滿了戰士們的血肉。日軍停止轟擊後，五六百個敵兵在10餘輛坦克掩護下，立即撲到南城。守城計程車兵以血肉之軀同日軍死拼，下午3時半，日軍佔領了南城牆。在場督戰的370旅旅長呂康、副旅長汪朝廉均負重傷。王銘章急向孫震報告：

獨立山（滕縣東南10餘里，是湯恩伯軍團預定到達的地點）友軍今日仍無槍聲，想系被敵所阻，目前敵用野炮飛機，從晨至午，不斷猛轟，城牆缺口數處，敵步兵屢登城，屢被擊退，斃敵甚多，職憶委座成仁之訓，及開封面諭嘉慰之詞，決心死拼，以報國家，以報知遇。

正在這時，日軍對東關再次發起更猛烈的炮擊，寨牆被炮彈炸得猶如鋸齒，多處倒塌，工事全被摧毀。東關守軍失去憑藉，死傷愈來愈多，同時手榴彈已經用盡，難以再戰。日軍突入東關，守軍拼命抵抗