局勢在進一步惡化。
第二天的守城戰由於日軍第40聯隊和界河方向的部隊一路燒殺趕到的晚，投入戰鬥時間也晚。雖然打的慘烈，城內守軍還是支持到了晚上。第三天就不同了，戰場更加慘烈，守軍更加困難了。
第十、第40聯隊都是鬼子精銳，裝備精良，戰術素質也高。而守軍卻是中國裝備最差的部隊，連門可以打坦克的戰防炮都沒有，唯一比較充足的武器是第五戰區戰前運進來的一列車手榴彈。手榴彈最多扔幾十米遠，鬼子坦克、裝甲車上的炮和機槍卻可以打幾千米遠，這場戰鬥註定是場一邊倒的戰鬥。何況現在鬼子進城了，又是百倍警惕，守軍就是再勇敢、再不怕犧牲，想用集束手榴彈再去炸鬼子坦克，那也得有機會才行，一般情況下戰士們到不了坦克跟前就會被鬼子打死的。
鬼子兵力雄厚，這一次又是全面進攻，四處開花，打到中午的時候，守軍已被鬼子分割成了幾塊，在苦苦支撐，眼見再不突圍的話，部隊就會就要全部犧牲在這滕縣城裡了。
王銘章再次給孫震發報，講明城內情況，最後表明態度：「以川軍薄弱的兵力和破敗的武器，擔當了津浦線上保衛徐州的第一線的重大任務，力量已不夠是不言而喻的。我們身為軍人。犧牲原為天職，現在只有犧牲一切以完成任務，雖不剩一兵一卒，亦無怨尤。不如此則無以對國家，更不足以贖川軍二十年內戰之罪愆了！職等決心死拼，以報國家！」
孫震接報後，知道城內情況已危險之極，王銘章發的是絕命電，遂下令陳鼎勛率城外的二十二集團軍三個團冒死攻擊，牽制日軍，減輕城內壓力。同時將王銘章電報轉報李宗仁，附電詢問二十軍團到底在什麼位置，為何不向臨城、棗莊之日軍發動攻擊？如二十軍團不能如期發動攻擊，可否令王銘章突圍，在敵後機動，威懾日軍？
李宗仁此時心裡已非常窩火，滕縣方向川軍在浴血拚殺，湯軍團卻動作遲緩。看起來，這滕縣必須再堅守幾天才行，否則的話，湯軍團就不可能部署到位，更別說對日軍實施圍殲了。
但是，現在的情況已經很明顯，滕縣已經堅守三天，不可能再堅守下去了，今天就可能陷落。問題是滕縣失守後，日軍後續隊伍就可能湧向臨城、棗莊，直至攻向台兒庄。到時候，如果臨沂方向和魯西南方向再出現變故，日軍第十六師團、第五師團再集中兵力殺向徐州來的話，不要說消滅日軍攻向台兒庄的部隊了，能不能守住徐州都成問題。
李宗仁繞室徘徊半天，再次給蔣介石發報，要求第一戰區部隊務必配合第三集團軍阻擊日軍第五師團，使其不能東進。請求蔣親自給湯恩伯電令，促其迅速部署，確保圍殲孤軍突出的日軍第十師團瀨谷支隊。
發完給蔣介石的電報後，李宗仁坐在桌前，手指不停地敲擊著桌子，邊敲邊想，既然是口袋，裝一個聯隊是裝，裝兩個聯隊是裝，裝三個又有何妨？日軍第十師團經過二十二集團軍幾天來的拚死搏殺，傷亡一定很大，就放他們到台兒庄來，調集大軍給它來個一鍋燴，打一個國軍系統前所未有的大勝仗，振奮一下國人的抗日精神。單是消滅第63聯隊有點小家子氣，對戰局也沒有太大影響。
想到這裡，李宗仁叫來參謀長徐祖貽，請他再次去臨沂前線，協調指揮臨沂各軍行動，務必確保消滅日軍第十師團瀨谷支隊前不讓臨沂日軍前來增援。
徐祖貽欣然受命，與李宗仁探討一陣臨沂戰局後，就去準備出發了。
李宗仁喝口茶，想清靜一會兒，但腦子裡跑馬一樣，一會兒是孫震的電報，一會兒是川軍初到時破爛的軍服和一張張黑瘦的臉。想了一會兒，李宗仁覺得戰局大的方面籌劃已定，與其讓王銘章部全部犧牲在城裡，不如退出城外，斷敵後路。最起碼可以收到襲擾敵人後方的作用。遂電令孫震，在滕縣城外的二十二集團軍各部，馬上投入戰鬥，全力支援城內王銘章部戰鬥。夜裡務必對敵發起襲擾作戰，使敵摸不清我軍虛實。至於城內部隊何時突圍，李宗仁明確指出：二十二集團軍在界河、北沙河、滕縣浴血拚殺幾天幾夜，表現出了川軍英勇抗戰之精神，為全軍樹立了典範。滕縣能夠堅守三天，殊為不易。為了保證後續作戰勝利，特令二十二集團軍守城部隊選擇時機突圍。突圍後，部隊向西轉移休整。兩日後渡過北沙河，相機奪取界河，切斷日軍退路，並與第三集團軍聯繫，共同擔任斷敵第十師團退路的任務。
接到李宗仁的電報，孫震急忙給王銘章發報，命令其組織一切力量固守，把部隊集中起來，天黑後突圍。並通報已令城外三個團全力進攻，策應守城。
孫震的電報，等於是給已經極端困難的守軍打了一支強心針。本來已經是瀕死的人了，忽然知道有了一線生機，爆發出來的求生意志是非常強大的。在王銘章的命令下，已經被日軍分割的各部隊決死反擊，王銘章、張宣武、王振文都帶著警衛直接上火線拼殺，硬是把日軍的攻勢打得一挫，各部隊的防線趁機恢複了聯繫。
從早上打到現在，日軍也打的疲倦了，見川軍拚死反擊，瀨谷啟以為是迴光返照，命令部隊鞏固陣地，四面圍困，抓緊時間吃飯。等吃完飯，一鼓作氣，全殲守軍。
陳鼎勛奉命率領部隊增援滕縣守軍，他知道日軍已經完成對守軍的包圍，並壓縮至縣城一角，解圍談何容易？只能攻敵之必救，迫使敵人分兵，減輕守軍的壓力。於是，陳鼎勛把目光盯住了日軍的炮兵陣地。但是，敵人炮兵陣地在滕縣城東關，部隊要繞到那裡，必須運動到前十里鋪、後屯一線，才能去抄日軍炮兵陣地的後路。這個時候，天上的日機正愁找不到目標呢，要是繞這麼遠去攻擊敵人炮兵陣地，那和去送死沒什麼區別。
思來想去，陳鼎勛決定先攻擊距離最近的西關，爭取打通一條與城內守軍的通道，實在不行就大造聲勢，讓鬼子以為援軍趕到，分兵前來阻擊。等晚上再去攻擊日軍的炮兵陣地，掩護守軍撤退。
攻擊前，陳鼎勛多留了個心眼，部隊運動到位後，以一個團去攻西關的鬼子陣地，兩個團在種寨和大彥村之間設伏，準備給追擊的鬼子來一傢伙。
仗打到這份上，戰士們早已打紅眼了，命都不算什麼了，因為死的弟兄太多了，真正應了那句話：「人到戰場不是人，命到戰場比草賤」。所以，三個團爭著去擔任攻擊任務，最後，人數比較多的一二五師縮編的團奪得了攻擊任務。
陳鼎勛畢業於保定陸軍軍官學校二期，算得上軍中宿將，又愛看川劇，對古人的謀略很是敬佩。他交待帶隊的團長，不要死攻，要用兩個連布置疑兵，把全部軍號都帶上，打響後所有衝鋒號都給老子吹響，讓小鬼子知道我軍增援大軍趕到，讓他們自動收縮陣地，不敢放手圍殲守軍。撤退時要快，否則鬼子的騎兵、坦克都會追上你們，那就不妙了。
陳鼎勛的意思軍官士兵都清楚，就是要向諸葛亮一樣大布疑兵陣，嚇退鬼子。
一二五師進攻的時間正是日軍換防吃飯的時候，槍聲一起，十幾把軍號同時吹響，一個團的士兵撲向了滕縣西關的日軍。
擔任西關警備掩護任務的日軍見中國軍隊來勢兇猛，一邊求援，一邊向西門收縮，企圖憑藉城牆工事固守。
瀨谷啟接到報告，以為真的是中國軍隊援軍大至，慌忙令第四十師團增援西關，堅決擊退中國軍隊援兵。後來，見這支中國軍隊很快就退兵了，瀨谷啟就覺得受了愚弄，這支軍隊充其量就是團級規模，憑他們也想來救援滕縣守軍，簡直是做夢。不過，老是又這樣一支軍隊在城外窺伺，也很麻煩，說不定他們會襲擊輜重部隊的。
於是，瀨谷啟下令40聯隊派出騎兵大隊和兩個中隊的步兵前去追擊，務必消滅這股支那部隊。
鬼子這一出城追擊，正中城外川軍的下懷，沒有重火力，攻不開城門，打打小伏擊總可以吧！結果，追出城的日軍自然是鑽進了川軍的伏擊圈。不過，川軍確實是火力太差，讓鬼子逃回來了一部分。
逃回的鬼子向40聯隊報告了在種寨和大彥村遇伏，傷亡慘重的情況，瀨谷啟這才確信，城外確實有中國軍隊大部隊，最少也是師級規模，隨時可以抄日軍的後路。瀨谷啟不驚反喜，馬上命令第四聯隊出城，消滅這個中國師。
第40聯隊這一出城追擊，王銘章等人感覺壓力頓時一輕，集中精神對付日軍的新一輪攻擊。
這一打，就打到了天黑，守軍自然是傷亡越來越大，日軍也沒有好過到哪裡去。用第十聯隊聯隊長赤柴八重藏大佐的話說，進入支那以來，第十師團所向無敵。只有兩次作戰大大不利。一次是被支那劉一民教導師伏擊，想起來都讓人毛骨悚然，那是一片血肉模糊，精銳的皇軍士兵像磚頭瓦塊一樣，被劉一民部隊砸的粉碎。第二次就是這次滕縣攻擊戰，當然，滕縣守軍不能和劉一民的教導師比，那是一群看不見的魔鬼，吃肉不吐骨頭。不過，這滕縣守軍雖然沒有劉一民教導師那麼恐怖，但他們打的是以命換命，連傷員都拉響手榴彈和皇軍同歸於盡