就在北沙河和藤縣激戰方酣的時候，在臨城的第二十二集團軍總司令孫震終於迎來了期盼中的湯恩伯第二十軍團第八十五軍第四師師長陳大慶。
第四師先頭部隊一個團已經乘火車到達臨城，孫震要求他們向台兒庄附近開進，支援滕縣保衛戰。
此時，見陳大慶來到，孫震一邊向陳大慶通報敵情，一邊命令全城百姓家家戶戶做鍋盔，給二十軍團製作軍糧。
第二十軍團是國軍主力，兵種齊全，是李宗仁準備用以消滅南進日軍的決定性力量。
根據李宗仁的命令，要二十軍團派一個師支援滕縣作戰，一個師固守臨城，其餘主力置於臨城東面山地，準備包圍聚殲由龍陽店南下迂迴臨城的日軍。
陳大慶得知滕縣尚在我軍手中，而且二十二集團軍在滕縣城外南沙河尚駐有一個團，在北沙河一線有三個團與敵交戰，感覺事有可為，遂率第四師向滕縣前進。
上午11點，第四師先頭團趕到南沙河的時候，四十一軍一二四師三七二旅已經陷入了與日軍第63聯隊的苦戰中，防線已被突破，部隊隨時就會潰敗。
三七二旅是黎明時分按照王銘章的命令從滕縣撤防南沙河的，說是一個旅，其實就是一個團。部隊剛剛構築好陣地，日軍第63聯隊就趕到了。雙方噼里啪啦就打開了。
日軍第63聯隊聯隊長福榮真平大佐見在南沙河一線遇到中國軍隊阻擊，大吃一驚，知道自己的迂迴偷襲計畫暴露了，慌忙向賴谷啟少將報告，並派出騎兵部隊四下偵察。這一偵察就發現，駐守南沙河的仍然是川軍部隊，兵力有限。福榮真平放下心來，一邊請求賴谷啟呼叫航空兵，一邊指揮炮兵、裝甲部隊實施炮擊，掩護部隊突擊。
福榮真平指揮的63聯隊，配屬有一個騎兵大隊、兩個裝甲中隊、一個炮兵大隊、一個工兵大隊，無論兵力還是火力，都不是三七二旅能夠抗衡的。這一開打，短短兩個小時，只有簡單野戰工事的三七二旅就損失慘重，眼見要不撤退的話，部隊就要被日軍分割包圍消滅在南沙河邊了。
就在這個時候，八十五軍第四師先頭團趕到了。可惜的是，新到的先頭團剛一接敵，就被日軍擊毀了兩輛裝甲車，在日軍飛機的轟炸下，軍心浮動，直接就向東南山地撤退了。三七二旅本來就支持不住了，好不容易盼來了援軍，沒有想到援軍剛剛與敵接觸，就遭到敵機轟炸和炮火襲擊，竟然掉頭撤退。這一下，士氣泄了，三七二旅殘部也就撤出了南沙河一線，向滕縣西面轉移，並向王銘章報告情況。
王銘章接報大驚，南沙河防線失守，滕縣守軍就徹底成了孤軍，忙向孫震發報，通報南沙河失守，二十軍團八十五軍增援部隊轉向東北山地，請求孫震迅速部署臨城防務，並督促八十五軍增援部隊掉頭西返，側擊向臨城攻擊的日軍。
孫震接報後手腳冰涼，因為此時二十軍團八十五軍其它部隊還未到達臨城，臨城只有一個四十一軍直屬特務營，有三個步兵連一個手槍連，靠這點兵力是萬萬守不住臨城的。
孫震忙本想下令北沙河一線激戰的四十五軍一二五師、一二七師迅速回援臨城，命令剛從南沙河撤退的三七二旅迅速北上增援三七0旅，鞏固北沙河防線。但一想，北沙河一線正在激戰，一二五師、一二七師一撤，傷亡慘重的三七0旅、三七二旅根本就擋不住北沙河一線的日軍，從界河來的鬼子和從深井來的鬼子就會合圍滕縣。而且這個時候是大白天，鬼子的飛機如此猖獗，部隊在陣地上還好一點，要是貿然撤退，馬上就會成為鬼子飛機的靶子，隊伍很快就會潰散。沒有辦法，孫震急忙給八十五軍第四師陳大慶發報，要他立即率部隊回防臨城。
孫震的顧慮是正確的，此時的北沙河一線，已經打成了一鍋粥。按早上王銘章來視察時的計畫，是要北沙河一線守軍上午打完阻擊就撤退到南沙河一線隱蔽待機的。但現在根本就撤不下去，日軍第40聯隊從西邊迂迴，與從界河趕來的日軍配合，已經形成了包圍圈，陳離指揮的一二五師、一二七師和三七0旅被逼得不斷收縮陣地，期望著堅持到天黑再相機突圍。
這個時候敵我雙方都在和時間賽跑，看誰先趕到臨城。在孫震想來，只要第四師能撤回臨城，李長官聚殲日軍於臨城周圍的計畫就可以實現。可惜的是，由於先頭團轉向，第四師主力隨即轉向臨城東北山地，孫震的命令也好、請求也好，都實現不了了。
等到下午三點，孫震接到日軍騎兵和坦克到達臨城周圍，不得不下令第二十二集團軍總部撤出臨城。因為他不能讓日軍取得俘虜二十二集團軍總部那樣大的戰果。
遠在徂徠山的劉一民做夢都想不到，經過他的指點，日軍進攻企圖已經透明，結果還是落了個臨城丟失、王銘章困守滕縣孤城的結局。
接到臨城失守的報告後，第五戰區司令長官李宗仁在地圖前默然不語，良久，才發出命令：「一、日軍南下臨城之部隊判明為瀨谷支隊之63聯隊，估計該敵攻佔臨城後會繼續攻佔棗莊，繼而南下攻擊徐州，台兒庄就是敵我決戰戰略要點。因此，戰區決心在臨城、棗莊與台兒庄之間殲滅該敵，鞏固徐州。二、孫桐萱之第三集團軍應承擔向津浦路北段之濟寧、兗州間攻擊之任務，並配合第一戰區部隊承擔牽制菏澤之日軍第五師團，使其不得東進支援徐州方向作戰。三、孫震第二十二集團軍務必堅守滕縣三天，牽制包圍滕縣之日軍不能南下支援作戰。四、孫連仲第二集團軍加強台兒庄一線守備，並向可能向台兒庄攻擊的日軍發動積極攻勢。五、在臨沂之龐炳勛部務必堅守臨沂，張自忠第五十九軍支援龐部作戰，堅決阻擊東路日軍南下，確保臨沂不失。六、湯恩伯第二十軍團全部進入臨城地區，該軍團長應率軍團部到臨城地區指揮，待日軍攻擊台兒庄時，由向西側擊，與台兒庄一線我軍合擊日軍，徹底殲滅該部。」
李宗仁的這個命令沒有錯，作為一個戰區總指揮，他考慮的是全局，考慮的是戰略。至於王銘章堅守滕縣會不會全軍覆沒，久經戰火、見慣了生生死死、也見慣了部隊成建制滅亡的李宗仁，並沒有考慮那麼多。他要的就是以犧牲換取勝利。
王振文的第三六六旅從東關撤回城東門後，就隱蔽在東城門一帶，負責守衛東城門。
敵機又一次飛來投彈了，城內到處都是炸彈的爆炸聲和房屋倒塌時的人們的哭聲。
王振文心裡不停地在詛咒該死的鬼子，拿炸彈不當錢，不停地扔，難道就不怕把日本扔成窮光蛋么？
一邊罵鬼子，一邊罵那些當大官的，就不知道給部隊多配點高射機槍、高射炮和野炮、山炮，這倒好，鬼子不用衝鋒，不用拼刺刀，光是飛機炸、大炮轟就讓部隊傷亡慘重了。士兵們手裡的破槍，別說打500米、200米了，只要100米以內有點準頭就燒高香了。現在沒有別的辦法，只能等鬼子攻到城牆邊，才能用手榴彈炸他狗日的。稍遠點子彈都不知道飛到哪裡去了！
飛機剛剛飛走，鬼子的大炮就開始炮擊了，這次炮擊一直持續了兩個小時，直到把東門附近城牆炸開了一道大口子，100多個鬼子才嚎叫著沖了上來，向缺口裡涌。
王振文等的就是這個機會，一聲命令，隱蔽在東城門口的士兵們就把手榴彈齊齊投向鬼子。一陣彈雨過後，這100多個小鬼子竟然全被炸死。士兵們激動不已，全都忍不住站起來歡呼。這一下樂極生悲，鬼子的炮火一陣急襲，讓剛剛打了勝仗的王振文團又一次付出了沉重的代價。
從平邑撤回來後，經過龍陽店阻擊戰、東關阻擊戰和剛才的東城門保衛戰，部隊傷亡慘重。王振文一查點，全團僅剩下一個營，而且人人挂彩。城防司令張宣武只好把王振文團撤下去休整，另派一個營來防守東城門。
此時滕縣城內的兵力比歷史上略多一點，有建制完整的張宣武團，有殘破不全的王振文團，還有三個師部和兩個旅部的警衛部隊，加上滕縣縣長周同的民團，兵力達到了5000人。經過早上到中午的激戰和日軍的狂轟濫炸，小小的滕縣縣城已經是千瘡百孔了，城牆幾處都被日軍炸開，部隊傷亡很大。
接到孫震臨城失守和李宗仁命令滕縣務必堅守三天的電報後，王銘章知道這滕縣已經成了孤城了，如無強力增援，自己和自己的部下必然要和滕縣城共存亡了。嘟囔了一句：「瓜娃都知道滕縣守不住」，遂和張宣武商量，日軍火力過於強大，上城牆等於送死，這樣打，只能讓鬼子打我們，我們很難打到鬼子，多少弟兄都是還沒有來得及投出一顆手榴彈就被鬼子的炸彈、炮彈炸死了。眼前情況，再想把日軍拒於城外已不可能。只能改變戰法，與日軍短兵相接，讓鬼子的大炮和飛機不敢肆意轟炸，利用部隊手榴彈充足的優勢，依託城內民房、工事，與鬼子打巷戰，反覆爭奪，反覆拼殺，無論如何都要在滕縣堅守三天。
決心下定後，王銘章、張宣武隨即編組部隊，劃定防區，告訴各級指揮官和士兵們，這滕縣就是一二二師的墳墓，把鬼子放進來，死也要拉上