韩复榘向南千里转进，使得日军矶谷第10师团大半个山东后，鲁南的滕县就成了津浦线北段最后一个能够保卫徐州的军事据点了，如果滕县失守，日军就可以长驱直入攻破徐州。此时，驻守滕县的是刚刚赶到第五战区的川军22集团军，这是当时李宗仁手中唯一可用的一支力量。

抗战爆发后，在全国各地的军队都奔赴抗日的战场的情况下，四川人民的抗日热情十分高涨，川军的将领也致电国民政府请求出川抗日。随后川军20军奔赴淞沪战场，紧接着邓锡侯和孙震的22集团军（下辖41军和45军）经川陕公路出发前往山西战场。

22集团军1937年9月1日出发，经过50天走了1400里才到达山西，此时山西已经入冬气候寒冷，而川军战士们却依然穿着单衣，在没有得到补充的情况下，川军就和日军在正太线展开血战伤亡惨重且弹尽粮绝。但无论是蒋介石，还是山西王阎锡山都拒绝给川军提供任何补充，情急之下，川军抢了晋绥军的一个军火库，这让阎锡山大怒，要求把川军调走，隔壁第一战区程潜也不愿意收留川军。正当蒋介石准备把他们赶回四川时，白崇禧告诉蒋介石第五战区正缺兵，可以把川军调往第五战区，蒋介石同意了。于是白崇禧打电话向李宗仁征求意见，李宗仁一口答应：当年诸葛亮草船借箭的时候连草人都有用，川军就算再弱还能比不上草人嘛！就这样，川军22集团军就前往第五战区。

李宗仁在徐州接见了22集团军的将领们，鼓励大家川军千里赶赴前线，在山西浴血奋战打得非常英勇，如果不是遭到了不公正的待遇也不会做出那种事。并且李宗仁不光是口头支持，在得知川军缺乏武器弹药后，李宗仁立即打开第五战区的武器库，当场就给了500支新枪和大量的手榴弹，甚至还有迫击炮，这让川军将士们非常感动，发誓誓死作战，报效李宗仁的知遇之恩，报效国家。

3月10日，川军进驻腾县，45军125、127师防守腾县以北界河一带，41军124师防守石墙，王铭章122师防守腾县县城。之后，王铭章被孙振任命为22集团军的前敌总指挥，统一指挥两个军作战，坚守腾县三天。

14日，日军第10师团的精锐濑谷支队7000多人开始进攻中国军队45军的阵地，滕县地处平原，非常适合日军重火力的发挥。濑谷支队还有战车部队20多辆坦克，以及野战炮兵联队12门150mm重炮提供火力支援。而川军虽然得到了一定的武器补充，但装备依然远远不如日军，川军的土造步枪很多都打不远也打不响，甚至有不少都是晚清时期的老古董，比战士的年龄都大，重武器只有少量的重机枪和迫击炮，但川军却毫无畏惧，用简陋的装备与武装到牙齿的日军展开了血战。界河阵地首当其冲，大批日军在重火力的掩护下冲向川军阵地，由于步枪故障率太高。川军战士们就先用重机枪和迫击炮轰击日军，等日军靠近了再用手榴弹和大刀展开肉搏，经过一天的血战，日军突破了外围的部分阵地，但主阵地依然屹立不倒。

濑谷见正面防守太强，于是便耍了个花招，留下一部分正面进攻外，还派出了两支部队分别从两翼迂回包抄，右翼迂回的部队在龙山被127师主力拦住，但在左翼，日军在重炮的轰炸下突破了124师370旅的防线，王铭章将防守县城的372调去增援。但是，日军的进攻非常凶猛，到黄昏时分，日军突破了正面的界河主阵地，45军已经伤亡大半，剩余的部队被迫向两边突围，滕县以及岌岌可危，此时，县城内只有124和122师部和122师刚刚赶回的一个营，以及几个警卫连加地方武装共3千人。日军的突击非常迅速，很快就包围了县城，在城外作战的部队没有及时撤回县城。日军计划由王牌中的王牌赤柴第10联队进攻县城，第63联队向南切断中国军队的退路。

16日，日军对腾县的进攻开始了，炮兵的8门重炮和航空兵的10架飞机对滕县东关进行了两个多小时的轰炸，随后第1大队在坦克的掩护下发起攻击，川军等日军靠近了，立即向日军投出大量的手榴弹，把日军炸的鬼哭狼嚎，这些手榴弹都是战前李宗仁支援的，几乎每个战士都拿到了一箱50枚。日军一连发起5次攻击，每一次都被密集的手榴弹雨炸成死灰，川军连续补充了3次兵力。到傍晚，日军又发起了第6次攻击，这次日军改善了死法，分成三梯队波浪冲击，炮灰1组死完了2组上，2组死完了突击组上，趁着扔手榴弹的间隙，突击组一个多小队的日军终于冲了进来，但很快遭到守军一个连的反冲击，被全部歼灭。这一天，日军没有打下滕县，但是川军也伤亡惨重。

第10师团长矶谷廉介此时暴跳如雷，堂堂皇军最精锐的部队，居然还打不下一个小破县城，而且对手还是什么中国军队中战斗力和装备最差的川军。17日，日军又调来了几十架重轰炸机，对县城狂轰滥炸，之后步兵和几十辆坦克，从3个方向对县城猛攻，川军战士继续顽强抵抗，不少人拉响手榴弹与日军同归于尽。到下午，日军相继占领了东城和西城，大量日军冲进城内，与川军展开巷战，最后的时刻到来了。下午3时，王铭章向孙震发出最后一封诀别电：日军已攻破滕县城防，援军杳无音讯，我部将战至最后一兵一卒。随后他砸毁电台，和师部所有的人来到县城中心十字街，向西门反攻，战斗到5时，随行人员都伤亡惨重，参谋长赵渭滨也牺牲了，王铭章本人也多处负伤，他高呼：中国万岁，抗战到底！随后用手枪引弹殉国。

抗日英烈王铭章

王铭章牺牲后，城内的巷战依然在继续，北城墙的守军利用手榴弹和刺刀打退了日军多次进攻，日军始终无法占领。城内的300多名伤员在得知师长牺牲后，轻伤的抓起手榴弹向日军冲锋，与日军的一辆坦克和十多个步兵同归于尽，剩下的伤员已经无法动弹，但他们不愿被俘虏，也一个个拉响手榴弹自尽殉国。到18日，滕县失守，除了北门的200多守军突围以外，剩下的全部牺牲，但没有一个俘虏，在腾县战役中，日军也付出了2000余人的伤亡代价。日军占领滕县后，又开始丧心病狂的屠杀百姓，仅3天之内就有2259人被杀害，224个妇女遭到侮辱，6万多间房屋被毁，大量古迹都被付之一炬。

滕县打的如此惨烈，而负责支援的友军却不动如山，汤恩伯集团的85军王仲廉部早就接到李宗仁的命令去支援滕县，但王仲廉却说他们军团应该整体行动，因此没有第一时间去支援滕县。哎，杂牌能够管得住的还真的是只有杂牌！

战斗结束后，李宗仁向蒋介石哽咽着报告：122师至王铭章师长以下全体殉国，无一人投降。将军的遗体也通过徐州到武汉，再到四川，各界群众都举行了盛大的悼念活动。国民政府追授王铭章上将军衔，蒋介石亲自为他举行祭奠仪式，中共领导人也为其写下挽联，盛赞川军的英勇抗战。川军战士主动离开家乡，走过大半个中国前往抗战前线，在腾县写下了光荣的一页，若无滕县之死守，焉有台儿庄之大捷！