激战至17日15时30分，日军由塌处突上城墙，迅速向东、西城墙扩大战果。守军残部由西门退至西关车站。不久，东关及西城门楼均为日军占领，仅余城内、北门及东北城角的守军仍在继续抗击。此时天色已暮，王铭章见日军已突入城关，还不见增援部队赶到，向孙震发出最后的电报：
17日晚，我援军尚未到，敌大部队冲入城，即督所留部队，与敌作最后血战。
电报发出，王铭章下令把电台砸毁，来到县城中心十字街口，指挥所部继续与日军作战，此时占领南城墙之敌在机枪火力掩护下，从西南城角向西城墙逼近。同时日军炮兵集中火力袭击西门城楼和西门，守军大部死伤，西城楼和西门也被日军占领。王铭章命令城内各部与日军展开巷战，自己登上西北城墙，亲自指挥警卫连一个排进攻西门城楼。因日军火力猛烈，城墙上毫无掩蔽，该排全部阵亡。这时，王铭章决定到西关车站组织该地残部继续防守，行至西关电灯厂附近，遭到西门城楼的日军密集火力射击，王铭章不幸腹部中弹，趔趄倒地，随从们忙扶他起来，他疾呼：“抵住，抵住，死守滕县！”这时又一阵密集的枪弹扫来，王铭章又一次负伤。他见大势已去，危城难守，自己已负伤数处，不能行动，遂高呼：“中华民国万岁，抗战到底！”即用手枪，饮弹殉城。他的参谋长赵渭宾、副官长罗甲辛、少校参谋谢大埔、第124师师参谋长邹慕陶及随从10余人，也都同时为国捐躯。
滕县县长周同听说王师长殉难，急忙从城北赶来，抚摸着王铭章的遗体大哭，悲痛欲绝。缓步登上城墙，环顾四周，长叹一声，坠城身亡。
王师长英勇殉国的消息传到城内，受重伤的300名士兵以他为榜样，宁死也不落入敌手，于是互相以手榴弹自炸，全部壮烈牺牲。
王铭章为保卫滕县流尽了最后一滴血，是台儿庄会战中中国方面牺牲的最高指挥官。
王铭章将军牺牲后，守城官兵继续与日军搏斗，入夜之前，日军占领了东、南、西三面城墙，而东北、西北两个城角和北面城墙仍在中国军队手中。夜9时，守军二三百人突出重围。但在城内，与大部队失去联系的零星小部队仍在顽强地战斗，彻夜枪声未停，直至18日午前，滕县才算沦入敌手。
滕县保卫战自1938年3月14日早晨开始，至18日中午结束，共4天半，计108小时。守军第41军守城部队自第122师师长王铭章以下伤亡5000余人，在滕县附近界河、龙山、南、北沙河一带作战的第45军，自第127师师长陈离以下也伤亡四五千人。滕县整个阵地化为灰烬。进犯的日军伤亡也十分惨重，死伤达2000余人。
3月底，当台儿庄会战快要取得胜利时，第22集团军总司令孙震，怀着一种激动、欣喜、自豪、抑或有些悲伤、不平的复杂心情，向国民政府军事委员会上报了一份《关于滕县战役的战斗详报》。在论述“此役所产生之成绩及影响”一节中，他这样写道：
在滕县血战中，我集团以绝对劣势之装备抵抗高度机械化敌兵，于极不利于防御之地形上阻敌锐进，达三昼夜之久，弹尽援绝，继以白刃，更继之以拳，复继之以齿，终继之以血，以头颅，以达成巩固津浦北段，保障徐海，争取余裕时间使友军得以从容布置之任务。虽牺牲殆尽，亦不稍顾。则中国军队战斗意志之坚强，奉行命令之彻底，官兵之视死如归，可谓超今逾古，罕有其匹，而死事之烈，报国之忠，虽与日月争光可也。
滕县血战达到拘束敌人之目的。若无滕县之血战，则汤、孙两军不能于临城、台儿庄从容布置；汤、孙两军若布置未成，则运河危，徐州殆，焉有台儿庄之大捷?敌军若不受挫台儿庄，徐州必被一鼓而下。徐州既失，陇海路不保，则武汉亦失陷，武汉之失陷，影响于国人抗战意志之至大，而各种军事计划设施等亦必随之瓦解，其危险岂堪想像!故人谓之滕县之役，乃保证抗战胜利之表现，实不虚也。
我军于滕县浴血苦战，虽势力悬殊，然能取得同等代价，而将矶谷部队之锐气消磨殆尽；此役结果，影响所及中国军队自南京退却后几将不振之士气，为之复活。反之，敌军不可一世之骄妄气焰为之挫戢。尔后矶谷所部之徘徊韩庄、台儿庄运河线上，迟迟不进，能不谓为非受士气消沉之影响也……
为表彰王铭章将军，４月６日国民政府追赠其为陆军上将。全国各界特别是四川民众组织了盛大的悼念活动。
抗战中颇有声望的《扫荡报》发表了《滕县血战的印象》，其中第二段载：
“……在这短短的几天滕县血战中，有很多惊天地、动鬼神的故事，值得我们正视，值得我们泣诉!如122师师长王铭章、参谋长赵渭滨、副官长罗世泽；124师参谋长邹绍孟、傅哲民均已尽忠职守、为国捐躯了。未出城之两师官兵，仍利用城内的破壁颓垣，与敌抗拒。据我飞机报告，至18日午后犹与敌在城内混战中。当城破的时候，所有受伤官兵、未逃出城者，约千人左右，均以步枪或手榴弹与敌拼命或自杀，无一生还。抗战之烈，死亡之勇，前所未闻，实开守土殉城之先例。”
几乎与此同时，在距滕县120公里之外的徐州第5战区长官司令部里，李宗仁将军接受了一批中外记者采访。李宗仁操着桂林口音，缓缓说道：