1938年3月14日拂晓,日军第10师团濑谷支队步、骑兵7000余人,配备大炮20余门,坦克20余辆,在30多架飞机掩护下向滕县外围第45军第一线阵地展开全线进攻。中国军队凭借既设阵地,勇敢迎战。川军的武器装备尽管在战前得到一些补充,但仍很差,轻、重机枪是四川土造的,不仅数量少,而且质量差,经常发生故障。步枪的口径不一,长短不齐,有单响,有三响的,甚至还夹杂着不少前清时的老枪,打几十发子弹就出毛病,并且对远射程不起作用。士兵们基本不用步枪射击,只准备在肉搏时使用。全军没有骑兵,除步兵团各有一个迫击炮连外,没有一门野炮或山炮,更没有任何防空武器和反坦克武器,配备的追击炮火力,距离2000公米以外就失去了杀伤力。部队的通讯设备也很差,旅以上才有无线电。川军就是凭借着这些简陋的武器和装备,同武装到牙齿的日军展开了殊死地搏斗。

他们先以追击炮火力阻止日军的前进,待敌人接近阵地时,用重机枪和手榴弹向敌猛烈反击,一枚枚手榴弹投入敌群,炸得日军血肉横飞。中国军队伤亡也很惨重,如127 师周营官兵全部壮烈牺牲。双方激战一日后,除香城、下看埠、白山、黄山等中国军队局部阵地被日军占领外,界河镇一线的正面主阵岿然屹立。

驻临城的孙震总司令,得到日军大举进犯的报告后,立即乘火车赶到滕县了解战况,并赴前沿阵地视察。随后孙震在北沙河召集各师、旅、团长和幕僚长开会,向他们传达了李宗仁转来的蒋介石的命令:“第41军固守滕县城3日,迟滞敌军,以待后方陇海铁路转运增援兵力,巩固徐州。”孙震坚毅地说:“为了抗战全局,我们全军将士要人人抱有敌无我,有我无敌的决心,与敌死拼!”

15日拂晓,日军除继续由正面进攻外,还加强了两翼的攻势,并企图迂回至主力阵地侧后。右翼龙山一带因地形有利,又有第127师主力防守,所以形势尚稳定;左翼深井方面,第370旅力量薄弱,伤亡太大,形势危急。王铭章急调滕县城中仅有的一支战斗部队——第124师的第372旅至深井以南的池头集建立第二道防线,以掩护深井第370旅之后背,并加强纵深防守能力。

由于第22集团军的作战指导是企图以阵地防御将日军阻止于滕县以北,所以在日军进攻前后逐次将主要战斗部队全部部署于滕县城北各地,滕县城关地区仅有第122、第124两个师部及第364旅1个旅部,共有4 个特务连的战斗部队。当战斗进展激烈、城外各阵地伤亡急剧增加、形势极为严峻时,第5战区电令孙震:“滕县为津浦路北段要点,关系全局,应竭力死守。”同时告知第20军团第85军正在驰援途中。孙震将情况及命令告知王铭章后,王铭章决定加强城防力量,固守待援,立即电令城前第366旅迅急回援滕县;令第364旅炸毁铁路大桥,留1个营防守北沙河,1个营防守城西洪町,其余撤入城内;令临城的第41军特务营赶赴滕县。(www.daowen.com)

15日黄昏时,界河阵地已被突破,龙山被敌包围。由城前返回的第366 旅仅先头1 个营撤回滕县,主力在城头村附近与日军迂回主力部队遭遇,被迫向临城方向退走。至15日夜,滕县城关地区的部队虽然番号很多,但实际战斗部队仅有11 个步兵连、1个迫击炮连,共约2000余人;此外还有师、旅部的4个特务连约500人,滕县地方武装约500人。总计约3000余人。由北沙河退入城中的第122 师第364旅第727团团长张宣武受命为滕县城防司令,统一指挥城关各战斗部队。他部署由城前退回的第398旅的1 个营防守东关,令第727 团1 个营防守东、北面城墙,令由临城赶来的第41军特务营防守西、南城墙;其余为预备队,控制于东门内。

日军濑谷支队进至滕县附近时将部队区分为两队。其支队主力进攻滕县,第63联队配属一部炮兵及坦克,由辛庄、中顶山迂回至滕县以南,切断滕县中国军队的退路,并向临城攻击前进。

16日8时,濑谷支队留一部兵力继续进攻北沙河,主力迂回向滕县发起进攻。先对东关进行了约2小时的炮火准备,然后集中火力将东关外围墙轰开一个缺口,在猛烈机枪火力掩护下,以约2个小队的步兵向缺口处冲击。守军以密集的手榴弹火力封锁了缺口,并将敌击退。10时至16时,日军对东关连续发起了5次冲击,均被守军击退。但守军伤亡太多,曾3次从城中调预备队补充。日军经整顿后,于17时许又组织第6次冲击,突击部队改以三梯队实施波浪式冲击,同时还延伸火力向东门及城内实施拦阻射击,以阻止城内部队增援。经激烈肉搏,至黄昏时,日军突击部队第三波冲入东关,兵力约1个小队。当夜,守军再由城内增调1个连组织反冲击,将突入之敌大部歼灭,收复了东关。24时左右,防守深井、池头集的第370 旅、第372 旅残部及防守北沙河、洪町的第727 团2 个营先后由西门退入城中。此时滕县城北第45军各部均已在阵地被突破后分向微山湖及峄县等地溃退。