考虑到第22集团军在滕县所面临的守备任务艰巨、兵力不足的局面，早在14日日军开始进攻时，李宗仁曾致电蒋介石，请派军事委员会直接控制于豫东的汤恩伯第20军团第85军第4师增援津浦路。经同意后即电告汤恩伯：“敌于津浦北正面增加兵力，大举反攻，以牵制我鲁南之作战，邓部(指第22集团军)兵少械劣，正面薄弱，两翼空虚，恐难拒敌，已电呈委座调贵军团85军驻商丘之一整师(指第4师)，由火车输送至滕县附近，作第22集团军之总预备队。”汤恩伯一方面向蒋介石去电：“恳明定本军归辖系统，以明职责”；一方面电复李宗仁：“恳将本军团全部调津浦北段出击，避免分割零碎使用，以益战局而杜分散，或作无代价之消耗。”实际上不肯令所部转隶别人指挥。当夜21时，汤恩伯接蒋介石来电，令其“85军即晚准备由商丘乘车经徐州向临城输送，务于17日拂晓前到达临戒集结完毕”的命令，蒋介石同意第52军也随后东调，虽然隶属于第5战区，但全军团仍待汤“到徐州指挥”。汤这才复电李宗仁，应允令第4师出发。
15日11时，李宗仁又电告汤恩伯：“铁道正面敌已突破界河阵地，进入二十里铺附近”，速令第4师“先头一部开往滕县附近，增加第22集团军正面之抗战”，同时要求第85军“主力集结临城东北地区待机出击”。
16日，当滕县以北第45军阵地相继失守、第41军第122师已被围困于滕县城中、前线形势已极恶化时，第5战区还在计划将进攻的日军消灭于滕县北。当日16时下达作战命令主要内容为：“(1)敌为牵制我鲁南之攻击，现集中济南以南之兵力，由铁路正面向我第22集团军猛攻中。(2)战区为击攘沿津浦线南下之敌，从铁道东侧包围该敌，将其聚歼于邹县以南地区。(3)第22集团军应在现地极力拒止敌人，俟第85军迂回成功后，转为攻势，以收前后夹击之效。(4)第85军除一部直接支援第22集团军巩固滕县城防外，主力由铁道以东地区向下看埠、邹县间迂击敌人，到达邹县南方高地附近后，相机向南与22集团军夹击两下店以南之敌而聚歼之。在迂回运动间，须派出极有力之右侧支队警戒前进。(5)第3集团军应全线对当面之敌反攻，并以有力部队由济宁以北地区向兖州以北攻击前进，努力截断敌之归路并阻止其增援。”第85军第4师先头部队在到达滕县以南的南沙河时，与向临城迂回的日军第63联队先头部队遭遇。汤恩伯抱定“避免临城决战”的方针，急令第85军以“第89师舒旅(第267旅)占领临城、官桥正面”，“主力向东西集山、凤凰庄一带集结”，没有派部队增援滕县。这样，第22集团军急切盼望汤恩伯军团的先头部队第85师增援的希望化为泡影。由于增援滕县的援军未能及时派出，使滕县守军的压力骤增，形势急剧恶化。
17日晨，日军第63联队开始向官桥进攻，日军更大的进攻又开始了。日军五六十门山炮、野炮向县城猛轰，敌机20余架疯狂地投弹扫射，整个滕县城顿时火光冲天，硝烟弥漫，爆炸之声震天撼地。这样连续轰炸了2个多小时后，日军开始向东关进攻。日军以10余辆坦克为先导，掩护步兵向东寨墙轰开的缺口冲锋，同时以炮火分向东关全线和城内施行遮断射击，以牵制中国守军的临时调动和中国军队后线的增援，敌机更是如乌鸦似的满天飞，疯狂地进行低空扫射。防守东关的第124师740团团长王麟率领两个营死守东关，冒着猛烈的炮火，在近距离与日军展开殊死搏斗，双方均伤亡惨重，遗尸累累。
激烈的战斗一直进行到中午12时．日军的屡次进攻均被中国军队击退，攻势受挫，被迫中止进攻，整顿态势，准备新的进攻。此时，王铭章再次急电孙震，报告战况：
敌以炮兵猛轰我城内，及东南城墙，东门附近又冲毁数段，敌兵登城，经我反击，毙敌无数，已将其击退，若友军深夜再无消息，则孤城危矣。
下午2时，日军用12门榴弹重炮猛轰我南城墙的正面，同时敌机二三十架集中轰炸南关。守备南关的743团两个连队，因昨天深夜才赶到滕县，匆忙布防，仅筑了一些临时掩体，没有坚固的防空设施，以至在很短的时间内便伤亡过半，剩余部队被迫向西关车站附近转移。南城墙被日军重炮轰击后，几乎夷为平地，守军740团的蔡钲营伤亡惨重，城墙的残垣断壁和砖石上沾满了战士们的血肉。日军停止轰击后，五六百个敌兵在10余辆坦克掩护下，立即扑到南城。守城的士兵以血肉之躯同日军死拼，下午3时半，日军占领了南城墙。在场督战的370旅旅长吕康、副旅长汪朝廉均负重伤。王铭章急向孙震报告：
独立山(滕县东南10余里，是汤恩伯军团预定到达的地点)友军今日仍无枪声，想系被敌所阻，目前敌用野炮飞机，从晨至午，不断猛轰，城墙缺口数处，敌步兵屡登城，屡被击退，毙敌甚多，职忆委座成仁之训，及开封面谕嘉慰之词，决心死拼，以报国家，以报知遇。
正在这时，日军对东关再次发起更猛烈的炮击，寨墙被炮弹炸得犹如锯齿，多处倒塌，工事全被摧毁。东关守军失去凭借，死伤愈来愈多，同时手榴弹已经用尽，难以再战。日军突入东关，守军拼命抵抗。守备东关的740团团长王麟、团政训员胡清溪和守军一起阵亡。