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大舉進犯的報告後，立即乘火車趕到滕縣瞭解戰況，並赴前沿陣地視察。隨後孫震在北沙河召集各師、旅、團長和幕僚長開會，向他們傳達了李宗仁轉來的蔣介石的命令：“第41軍固守滕縣城3日，遲滯敵軍，以待後方隴海鐵路轉運增援兵力，鞏固徐州。”孫震堅毅地說：“為了抗戰全域性，我們全軍將士要人人抱有敵無我，有我無敵的決心，與敵死拼！”
15日拂曉，日軍除繼續由正面進攻外，還加強了兩翼的攻勢，並企圖迂迴至主力陣地側後。右翼龍山一帶因地形有利，又有第127師主力防守，所以形勢尚穩定；左翼深井方面，第370旅力量薄弱，傷亡太大，形勢危急。王銘章急調滕縣城中僅有的一支戰鬥部隊——第124師的第372旅至深井以南的池頭集建立第二道防線，以掩護深井第370旅之後背，並加強縱深防守能力。
由於第22集團軍的作戰指導是企圖以陣地防禦將日軍阻止於滕縣以北，所以在日軍進攻前後逐次將主要戰鬥部隊全部部署於滕縣城北各地，滕縣城關地區僅有第122、第124兩個師部及第364旅1個旅部，共有4個特務連的戰鬥部隊。當戰鬥進展激烈、城外各陣地傷亡急劇增加、形勢極為嚴峻時，第5戰區電令孫震：“滕縣為津浦路北段要點，關係全域性，應竭力死守。”同時告知第20軍團第85軍正在馳援途中。孫震將情況及命令告知王銘章後，王銘章決定加強城防力量，固守待援，立即電令城前第366旅迅急回援滕縣；令第364旅炸燬鐵路大橋，留1個營防守北沙河，1個營防守城西洪町，其餘撤入城內；令臨城的第41軍特務營趕赴滕縣。
15日黃昏時，界河陣地已被突破，龍山被敵包圍。由城前返回的第366旅僅先頭1個營撤回滕縣，主力在城頭村附近與日軍迂迴主力部隊遭遇，被迫向臨城方向退走。至15日夜，滕縣城關地區的部隊雖然番號很多，但實際戰鬥部隊僅有11個步兵連、1個迫擊炮連，共約2000餘人；此外還有師、旅部的4個特務連約500人，滕縣地方武裝約500人。總計約3000餘人。由北沙河退入城中的第122師第364旅第727團團長張宣武受命為滕縣城防司令，統一指揮城關各戰鬥部隊。他部署由城前退回的第398旅的1個營防守東關，令第727團1個營防守東、北面城牆，令由臨城趕來的第41軍特務營防守西、南城牆；其餘為預備隊，控制於東門內。
日軍瀨谷支隊進至滕縣附近時將部隊區分為兩隊。其支隊主力進攻滕縣，第63聯隊配屬一部炮兵及坦克，由辛莊、中頂山迂迴至滕縣以南，切斷滕縣中國軍隊的退路，並向臨城攻擊前進。
16日8時，瀨谷支隊留一部兵力繼續進攻北沙河，主力迂迴向滕縣發起進攻。先對東關進行了約2小時的炮火準備，然後集中火力將東關外圍土圍牆轟開一個缺口，在猛烈機槍火力掩護下，以約2個小隊的步兵向缺口處衝擊。守軍以密集的手榴彈火力封鎖了缺口，並將敵擊退。10時至16時，日軍對東關連續發起了5次衝擊，均被守軍擊退。但守軍傷亡太多，曾3次從城中調預備隊補充。日軍經整頓後，於17時許又組織第6次衝擊，突擊部隊改以三梯隊實施波浪式衝擊，同時還延伸火力向東門及城內實施攔阻射擊，以阻止城內部隊增援。經激烈肉搏，至黃昏時，日軍突擊部隊第三波衝入東關，兵力約1個小隊。當夜，守軍再由城內增調1個連組織反衝擊，將突入之敵大部殲滅，收復了東關。24時左右，防守深井、池頭集的第370旅、第372旅殘部及防守北沙河、洪町的第727團2個營先後由西門退入城中。此時滕縣城北第45軍各部均已在陣地被突破後分向微山湖及嶧縣等地潰退。
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湯恩伯的援兵遲遲未到
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臺兒莊戰役後，日軍先後集中24萬兵力，南北對進，夾擊戰略要地徐州。圖為沿津浦路北進之日軍。
考慮到第22集團軍在滕縣所面臨的守備任務艱鉅、兵力不足的局面，早在14日日軍開始進攻時，李宗仁曾致電蔣介石，請派軍事委員會直接控制於豫東的湯恩伯第20軍團第85軍第4師增援津浦路。經同意後即電告湯恩伯：“敵於津浦北正面增加兵力，大舉反攻，以牽制我魯南之作戰，鄧部（指第22集團軍）兵少械劣，正面薄弱，兩翼空虛，恐難拒敵，已電呈委座調貴軍團85軍駐商丘之一整師（指第4師），由火車輸送至滕縣附近，作第22集團軍之總預備隊。”湯恩伯一方面向蔣介石去電：“懇明定本軍歸轄系統，以明職責”；一方面電覆李宗仁：“懇將本軍團
