下午5时，敌人发动了第六次攻势。这次敌人又把攻击的目标转移到了东关的正面城门。他们集中了30余门大炮，10多架飞机轮番轰炸扫射，而且攻击点不仅是东关城门，还向东关、城内、西关、火车站等处施以纵深射击，企图发挥火力优势，使我守军多处受到炮击，截断对第一线的支援。双方激战昼夜，东关城门最终失而复得。
16日这一天，滕县的外围战也打得十分激烈。敌一面强攻滕县城，一面分两路由滕县附近南下。一路约三四千人，战车17辆，沿铁路正面向临城急进，其先头部队到达南沙河时，受到了第一二七师的阻击。师长陈离亲赴前沿阵地督战，虽腿部负伤，仍率部冲杀，将敌击退。另一路日军约五六千人，从滕县以东约15公里的桑村向滕峄大道南犯，也遭到我第四十五军防守部队的阻击。但因敌武器精良，攻势强大，午后我军阵地逐步被敌突破。第四十五军余部被迫向韩庄一带撤退。
激战了整整一天的滕县县城，晚8时才停战。9时许，王铭章约城防司令张宣武到他的指挥所详询战况。表示：“今天我们不足一个团就能撑持一天，明天我们再增加两三个团，还怕什么？如果再把明天撑持过去，汤军团的援军就可以来解围了。”
当晚，吕、曾两个旅（即第四十一军第一二四师第三七○和第三七二旅）从大坞、小坞一带脱离敌人，晚9时前后分别到达滕县。
在洪疃、高庙和北沙河一带的第七二七团第一营和第二营也于此时来到城内。另外，第一二七师王永械团也入城加入战斗行列。唯有第三六六旅童澄部被敌所阻，未能赶到。
根据兵力变化的情况，王铭章当夜重新调整了部署，加强了对重点地段的防守。为了迎接第二天更加残酷的战斗，王铭章和县长周同一面组织尚未离开县城的百姓尽快疏散，一面指挥部队对东关被敌轰塌的寨墙进行加固。
滕县城内储备的粮食弹药相当充足，当夜各部队都得到了充分的补充。部署调整后，各部队到达指定位置，不顾疲劳，拼命地抢修工事，挖防空洞，绑扎云梯。这是因为滕县的城墙既高又陡，城内上城的道路只是每座城门的旁边有一条。当敌机投弹、扫射和炮火轰炸时，我守城部队为避免和减少伤亡，城上只留少数瞭望哨，其余都在城墙脚下的防空洞内隐蔽、休息。待敌冲锋爬城时，再迅速登城抵抗。若只靠城门旁边那一条道路，则极易误事。因此，规定守城部队每一个班至少都要有一架云梯，以备迅速登城之用。除此之外，守城部队还打开手榴弹的箱子，揭开手榴弹的盖子，做好了一切战斗的准备。就这样，全体官兵一直忙到17日天亮。
守城部队急切盼望的援军——汤恩伯第二十军团第八十五军王仲廉部，16日已乘车到达临城、官桥附近，该军陈大庆第四师先头部队与日军相遇在滕县以南的南沙河附近，正在激战中。守军得知援军已到临城，十分振奋。
出乎敌人的预料，在界河、龙山、普阳山一带，他们都碰了硬钉子。特别是在滕县城关，他们猛攻数日，付出了惨重的代价，却拿不下一座县城。恼羞成怒的矶谷廉介于16日夜间，调集了第十师团和第一○六师团的一个旅团，共3万多兵力。大炮数十门，战车百余辆，将滕县东、南、北三面包围起来。
17日黎明，敌即以15吨重炮8门，坦克及装甲汽车百余辆，继续围攻县城，敌机五六十架对城厢狂轰滥炸，轰炸稍止，其排炮齐发，炮弹密如急雨。顿时，整个县城除北关一隅因系美国教堂所在地外，到处硝烟弥漫、火光冲天，房倒屋塌，断壁残垣。城内满街都被倒塌了的建筑物堆成了一个个的小山丘，石板路被炸成了一个个的深坑，全城一片火海，遍地皆成焦土。
6时许，敌开始向我东关进攻。进攻之敌仍沿用前日方法，用火炮将寨墙轰开缺口，然后以10余辆坦克为先导，掩护步兵向缺口冲锋。同时，敌之炮火分向东关全线和城内施行遮断射击，以牵制我守军的临时调动和我军的后线增援。在强大炮火掩护之下，敌突击队300余名开始攀城，我守城部队居高临下，以步枪、手榴弹将敌全数击毙，继而，敌又派遣突击队200多名蜂拥攀城，也被我守军全部歼灭。与此同时，南城城墙也被敌炮猛轰坍塌，出现了一个两丈余长的大缺口，城厢民房到处起火焚烧。第一二四师第三七○旅第七四○团团长王麟率部前往南城缺口拒堵，双方短兵相接，反复肉搏，我守军终于完成了堵塞任务，而王团长却不幸中弹阵亡。
另一部日军攻我东南城角，同样是以密集炮火猛轰城垣，半小时左右即轰开一个大缺口，然后在七八辆坦克的掩护下，百余名敌军向城内猛冲，我守军第七二七团第二连用集束手榴弹炸毁敌两辆坦克，炸毙敌步兵五六十名。但该连也在敌密集火力的射击下伤亡殆尽，无力阻击，致使敌四五十人冲上了城墙。这时，第七二七团第一营营长王承裕立即命令营预备队第一连反攻突入之敌。全连在仅有两挺轻机枪掩护的情况下，向敌猛扑。一阵手榴弹投掷出去之后，战士们便抡起大刀，横劈竖砍，一场白刃交手战后，敌被我全歼，而我守军150人，只剩下14名士兵，连长张荃馨、副连长贺吉仓以下官兵全部为国捐躯。就这样，上午与敌激战了五六个小时，两路进攻之敌均被我军英勇反击所击溃。至中午，双方暂时中止战斗。
午后1时许，日军发动了更加猛烈的攻势，敌机轰炸愈烈，城内房屋半被炸平。我城内守军奋起反击，但因敌炮火殊猛，已伤亡过半，王铭章率同参谋长赵渭滨、副参谋长邹绍孟及各旅、团长、周同县长，分沿城垣往来督战，士卒振奋，争夺愈烈，然情势仍十分险恶。王铭章鼓励残部死力抵抗，以待援军到来。但此时来援的汤军团第八十五军，在滕县与临城之间与敌军发生了遭遇战。战事胶着，无法接近滕县。
下午2时30分，敌又将攻击重点转向南城墙及南关，先以12门火炮猛烈轰击南城墙和南关街市，敌机二三十架同时集中轰炸南关。南关是我防御的薄弱部分，守备部队第一二四师第三七二旅第七四三团的卢营是一个仅有两连编制的残破部队，且昨夜才由大坞转移至此，匆忙布防，阵地只有简单的掩蔽工事，很短时间内即伤亡过半，剩余部队在南关也无法存身，被迫转移到西关车站附近继续抗击。南城墙在被敌重炮轰炸了一个多小时之后，城墙被毁倒塌，几乎夷为平地，处处可以攀登。守备部队第一二四师第三七○旅第七四○团的蔡证营，突遭敌炮猛烈轰击，血肉与砖石交织在一起。敌步兵五六百人，在10余辆坦克的掩护下猛攻南城墙，第三七○旅旅长吕康、副旅长汪朝廉亲临城墙指挥督战，但因敌攻势过猛，我守军伤亡甚重，吕康、汪朝廉皆负重伤。与此同时，战斗在南城墙上的第一二二师第七二七团也在同敌人浴血奋战。下午3时30分，敌复增兵2000余名突入城内，我守军裹伤巷战，不稍后退。然我军愈战愈少，敌更集中炮火，以燃烧弹向城内猛射，我负伤将士及阵亡忠骸，多遭毒焰延及，尽成灰烬，其状至惨，其情至烈。南城墙在敌众我寡的情况下即告失陷。
王铭章亲临城中心的十字街口指挥督战。这时，南城墙上的敌人又以猛烈的机枪火力掩护步兵从西南城角向我西城墙上的守军压迫。同时，敌炮兵又集中火力猛轰西城门楼，我西城墙南半部的守军伤亡过重，以致西门和西门以南的城垣在下午5时落入敌手。
傍晚，敌军从东、西、南三面突入城关，滕县城已危在旦夕，然而仍不见援军的踪影。王铭章知道杀身报国的时机已至，于是他抛弃了一切期望，下令将电台砸毁，自己拿了枪，在士兵的行列中作战；税师长等中下级将士也都拿出了自己的武器，参加到士兵的行列中去了。满城居民，也都拿出了武器，参加到士兵的行列中去。
由于敌人集中火力向城中心十字街口射击，王铭章和他的幕僚随从无法在市街内存身，乃从西北角登上城墙，亲自指挥警卫连一个排进攻西门城楼。但因敌火力猛烈，城墙上又毫无遮蔽，故这个排尚未接近西城门楼就全部阵亡。在这万分危急的情况下，王铭章迫不得已决定缒城而出，准备到西关火车站指挥第一二四师第三七二旅继续与敌拼搏。是时，敌轰炸炮击更加猛烈，全城陷入火光烟尘之中，巷战愈形混乱。王铭章环顾左右，所剩无几。吕康旅长弹贯面部，跌卧不能行动；王志远旅长、张宣武团长、汪朝廉副旅长等均负重伤，仍指挥残部奋力死战。王铭章观状泫然欲泣。旋赵渭滨参谋长被敌弹击穿腹部，踣地挣扎。王铭章急趋前救护，不幸遭敌机枪扫射击中腹部，然犹挥臂高呼：“抵住，抵住，死守滕县！”此时有敌兵数人欲趋前加辱，被王铭章连毙其三，余惊骇而退，无奈伤势太重，竟于手刃敌贼后，高呼口号，气绝殉城。赵参谋长亦同时殒命。罗甲辛副官长亦被枪伤坠城而亡。少校参谋谢大墉同于城上为敌平射炮击中头部而死。第一二四师师长税梯青仅以身免，而该师参谋长邹绍孟、副官长傅哲明均阵亡。其余营长以下官佐，死伤十之八九。
王铭章师长英勇殉国的消息传到城内，受重伤的300多名士兵纷纷以他为榜样，宁死也不落入敌手，互相之间以手榴弹自炸，全部壮烈牺牲。
王铭章牺牲后，守城官兵继续与敌搏斗。入夜之前，敌占领了东、西、南三面城墙，而东北、西北两个城角和北面城墙仍在我军手中。夜9时，我北城墙上的守军二三百人扒开城门，突出重围。而在城内与大部队失去联系的零星小部队，仍在各自为战，顽强抵抗，激战枪声，彻夜不绝。直至18日午后，敌才完全占领滕县。
滕县保卫战自3月14日晨开始，至18日中午结束，共4天半，计108小时。为攻下滕城，敌使用了强大的炮火，仅16、17两日，滕县城关落下的炮弹就达3万余发。我第四十一军守城部队自第一二二师师长王铭章以下伤亡5000余人；第四十五军自第一二七师师长陈离以下伤亡亦达四五千人，总共伤亡万人以上。进犯之敌伤亡也十分惨重，我毙伤敌军官佐达320余员，击毙士兵1500余名，击伤5700余名。整个滕城内外尸横遍野，血流成河。城内建筑悉化为焦土。
王铭章师长率部坚守滕县4昼夜，阻滞了日军南犯徐州的计划，使我军大部队赢得了鲁南会战的充分准备时间，对围歼日军板垣、矶谷两师团的台儿庄大捷，创造了有利的条件。对此，第五战区司令长官李宗仁曾给予了高度的评价，他在滕县保卫战后给蒋介石的电报中说：“查该集团军以劣势之装备与兵力，对绝对优势之顽敌，独能奋勇抗战，官兵浴血苦斗达三日半以上，挫敌凶锋，阻敌锐进，使我援军得以适时赶到，战役中心之徐州得以转危为安，此为国牺牲之精神，不可泯也。”他在后来撰写的回忆录中又说：“滕县一战，川军以寡敌众，不惜重大牺牲，阻敌南下，写出川军史上最光荣的一页。”
1938年3月30日，蒋介石为王铭章殉国致电李宗仁，慰其忠勇。4月6日，国民政府特令褒扬王铭章，追赠陆军上将。