下午的戰鬥變得更加的殘酷，守城的川軍122石官兵英勇戰鬥，王銘章義憤填膺，親臨一線指揮戰鬥。激戰到下午5時，122師的官兵已不足千人，王銘章見援軍已毫無指望，就下令砸毀電台燒掉密碼本，然後向日軍發起了最後的進攻。在城南十字大街附近，架在屋頂上的日軍機槍發現了他們，一陣彈雨過後，王銘章及其身邊的衛士全都倒在了血泊裏。王銘章身中數彈，子彈貫穿胸部，血流如注，但他仍然挺著身軀對部下們說道：“不要管我，繼續向鬼子進攻！”說完就停止了呼吸。王銘章陣亡以後，剩餘的川軍官兵繼續與日軍戰鬥著，直到天亮以後，滕縣城內才安靜了下來。川軍122師的全體官兵，自師長王銘章以下，全部壯烈殉國。
滕縣，3天3夜悲壯空前的大血戰，揭開了徐州會戰的序幕。滕縣之戰以川軍巨大的犧牲，為第5戰區贏得了時間，為保衛徐州創造了有利條件，為鞏固武漢立下了不朽的功勳。第5戰區司令長官李宗仁褒獎道：“滕縣一戰，川軍以寡敵眾，不惜重大犧牲，阻敵南下，為保徐州。這一戰，打出了川軍的威風，寫出了川軍抗戰史上光輝的一頁。”
蔣介石也為王銘章的壯舉所感動，他親赴武漢飛往徐州。在第5戰區長官部內，蔣介石為死難的川軍122師全體官兵主持公祭，在悼詞裏蔣介石充分褒揚了川軍官兵的愛國熱情和舍身取義的精神。在會後，蔣介石表示將把122師師長王銘章的事跡記錄下來，然後供奉在忠烈祠內，供後世國人瞻仰與憑吊。最後他又接見了川軍嘰穀師團被阻在滕縣長達3天，而且兵力又受到了一定的損失。經過幾天的休整後，見第5師團還被阻擋在臨沂地區，嘰穀廉介便有些不耐煩地下令向台兒莊地區攻擊前進。他想孤軍拿下台兒莊，在那裏等待著第5師團的到來，好用實際行動來羞辱一下這支被陸軍部稱為陸軍之花的部隊。嘰穀廉介的輕狂孤傲由來已久，他骨子裏對中**隊的輕視已經根深蒂固了，雖然在滕縣讓他遭受了挫折，但這並沒有引起他的重視。這次台兒莊之戰，就注定成了他人生中的一次重要挫折。
嘰穀師團先頭部隊千餘人，在重炮和戰車的支援下，向台兒莊發起了攻擊。由於川軍122師的死守滕縣，為李宗仁贏得了一些時間。孫連仲的