张宣武令部队转入地面战壕躲避，日军大炮威力虽大，却对深壕内目标无能为力。
几乎同时，日军大部队猛攻界河45军主阵地和龙山阵地。见阵地坚固，日军在正午的时候陆续增兵，分兵由龙山以东向南迂回。
中午一点左右，界河正面阵地不堪夹攻，被日军突破。两处日军联合向龙山45军127师379旅杨宗礼部和125师373旅姚超伦团包围攻击。守军依托阵地顽强抵抗，多次短兵搏斗，双方死伤众多。
两点半左右，龙山阵地失陷。
两旅残部，随即退往滕县城东北远郊龙阳店、北明、东郭一带，力图掩护北沙河阵地右侧，作为滕县外围作战的最后支撑。
但是，日军大部队咬住龙山溃军紧贴追击，使川军部队无法稳住阵脚，被迫退至滕县城东北的城头镇及以南高地。
下午五点左右，日军先头部队已分别进至滕县东北十余里的冯河、龙阳店一带，从池头集和大小坞村方面渗透的日军，也陆续抵达该处集结。
入暮后，日军攻陷界河，主力部队也开向滕县东北角。界河守军瞿联丞部，被日军逼向北沙河东北十多里外的村庄。
于是，数千日军部队，一方面从东北角山地为据点对滕县部署攻势，一方面也阻隔了从龙山回撤的部队，和从太平邑方向回援的部队。外围的几支川军部队，由于和城内的指挥部断绝了联系，只好各自为战，被日军分散击溃。
从太平邑方向奉命回援的童澄旅王文振团，刚行军到城前，就遇到45军127师的杨宗礼旅，获悉日军已突破界河并占领滕县东北三十里的龙山。
杨部还告诉他们，该旅正遭到日军步骑混合部队七、八千人压迫。日军先头部队配有飞机、大炮和十余辆坦克、装甲车十余辆，追击该旅，已抵达城头以北二三里。该旅以一个团在城头布防，其余向城头以南高地转进。
童澄赶紧率部取道东沙河向回援滕县。在城头镇西南约三四里的长巷村附近，与压迫杨旅的日军部队遭遇。
日军利用坦克和装甲车的优势装备，猛烈冲击既没有重武器可以抵御，也没有防御工事的王文振团，阻止部队向滕县方向增援。
王文振团被冲散后，从滕县以东朝着南部山地步步溃退，一直退了四十里，才于第二天在官桥稳下来收容。3月17日，收容部队赶紧沿铁道向滕县回援，在南沙河又遭到了日军大部队的阻击和追击，被迫随退至峄县。
3月15日当天，日军还从西边石墙方向大举进攻。
早上七点左右，一路日军，有骑兵数十，步兵千余，拖着八门大炮，由大颜村向常峪、金斗山一带蔡钲营、陈洪刚营阵地进袭。
常峪、金斗山阵地，因地势良好，十分巩固。日军先是集中炮火猛轰阵地，然后步骑联合冲锋。日军几度冲入阵地，均被顽强击退。
另一路日军，骑兵百余人，步兵二千余人，拖着十余门大炮，由济宁东南的石墙出动，沿石墙至南阳镇公路，向季寨124师370旅康平营阵地进扑。
中午十一点左右，康营伤亡过重，难以支持，请求增援，吕康赶紧令雷迅营程子仪连跑步前往。援兵赶到，阵地已经失陷。程率部拼死反攻，硬是把阵地夺了回来。
这一仗打下来，全连伤亡过半，程子仪本人负伤。
日军转而追加兵力猛攻季寨康营的汪连阵地，川军增援不及，阵地沦陷，汪连全部牺牲。
这路日军随即从季寨猛扑高庄，企图从背后对位于高庄一带的372旅余坚团阵地进行攻击。余坚指挥部队奋力抗战，日军未能得逞。
双方胶着期间，日军派三十来个骑兵，从三山侧面偷袭高庄阵地，被侦察兵发现，反遭蒋坤排埋伏的袭击，狼狈北逃。
而后，日军又派出六七百名，由九山向池头集左侧迂回，包抄高庄，担任左侧警戒的何炳垣连大半阵亡。
得到吕康的报告和增援要求后，王铭章赶紧令张宣武从727团抽调一营兵力，前往滕县西北十七八里的洪疃和西南三十里的高庙设防，阻止日军钻空挡渗入滕县西侧。
下午，日军占领了高庄旁边的侯山高地，熊顺义营转移到吕山阵地。
吕康令陈洪刚从金斗山撤调两个连前往增援余坚团，从侧背夹攻日军。三点钟左右，高庄战况激烈，枪声隆密。吕康等都以为陈营得手，很是高兴。可是，没过多久，枪声逐渐向南远去，大家觉得很奇怪。
吕康赶紧派人去侦察，回报说陈洪刚营，正在利用深井附近民房生活造饭，补吃午餐，尚未出击。
吕康看看时间，中午已经过去四个多小时了，好多官兵都还没来得及吃午饭，他实在哭笑不得，暗暗觉得日军自带现成熟食的后勤保障办法，确实比中国军队生火造饭的老办法先进。
吕康顾不得仔细琢磨，赶紧集合雷迅营余部，准备亲自率部出击。这时，从余坚团传来消息，高庄已经失陷，该团现在池头集附近高地堵拒日军。
同时，吕康又收到谍报和41军军部魏副官函告，敌军已突破右翼界河友军阵地，界河车站已有敌踪，要他们注意提防。
吕康正犹豫不决间，收到传令兵送来的税梯青手令，说是已经派出曾苏元率两营驰援过来，要求他率部坚守现阵地。
下午三点左右，日军炮兵在高庄设置炮阵，向吕山阵地轰击，掩护步兵进攻。余坚观察日军来路，从第一线连队各抽一班组成左翼，以预备队为右翼，两路出击，将日军步兵打退回去。
四点十分左右，余坚得到吕康通知：372旅旅长曾苏元，亲自率兵来援，曾苏元抵达后，余团即归还建制，希望他尽力撑持危局。
两营官兵闻讯大为振奋，奋勇顶住日军又一次冲锋。
五点左右，天色渐晚，吕山阵地右翼的罗庄阵地被日军占领。日军利用大量烟幕弹向阵地遮断射击，企图抄袭。很快，吕山东南部池头集西南一带出现日军步骑百余名。而这时，吕山右翼友军已经转入沉寂状态，余坚团陷入三面包围。
正在危急关头，曾苏元率部从池头集东南抵达，从背后发起猛攻，将包围余坚团的日军击溃。
曾苏元随即和余坚率部赶往吕康处。吕康告诉他们，有一大股日军刚刚突破370旅右翼和界河阵地左翼之间防线，向滕县方向开去。
几人分析认为，南下日军在北沙河阵地受到抵抗后，很可能向西南方向迂回，包抄滕县西门方向，对370旅、372旅和北沙河防线都必将构成重要威胁。
大家当即决定，为避免明天被日军所乘，必须连夜率部回防，在滕县县城西南布置防线，与北沙河阵地构成犄角。
于是，370旅乘夜转移至北沙河阵地西侧的李店、凫村布防。372旅在370旅西南侧的大、小坞村一带占领阵地，几处阵地互为犄角。
3月15日下午五点左右，日军先头部队抵达滕县东北十多里的冯河、龙阳店一带。侦察员回来报告，冯河一带聚集了大量日军，今晚、最迟明晨，敌人就会攻城。
王铭章闻讯，十分焦急。因为形势已经十分明显，日军大部队已经撇开正面战场南下，企图直接进攻县城，迫使川军正面阵地不战而溃。而此时此刻，滕县城关及城内守军仅有122、124、127三个师部和364旅一个旅部，每个师部只有一个警卫连、一个通信连和一个卫生队，旅部则只有一个警卫排，警卫部队主要使用手枪。另外还有滕县县长周同率领的警察和保安队四五百人，没有一支是战斗部队。366旅仍无音讯，汤恩伯军也不见前来，滕县形势十分危急。
“象贤，366旅咋个还没来呢？你再催催。”
“通讯排长一直在呼叫，还是没有回音。”赵渭宾答道。
“唉！这个童澄，怎么搞的！早知如此，昨天就不把那两个营调出城了。”王铭章大失所望。
赵渭宾见王铭章已经意识到昨天的冒险，也没抱怨，赶紧和几个师部将领紧急商议。大家认为，41军、45军的大部兵力均胶着于第一线，且具体位置不清楚，昨晚十点电令太平邑方向尚未与敌接触的122师366旅王文振团火速回援，至此仍无消息，该团远在百里之外，又要路经已被日军占领的县城东北角，可能在途中遭到日军阻拦。眼下的当务之急，一是迅速从城外阵地抽调部队回援，一是赶紧向集团军总部请求援兵。
赵渭宾建议先从张宣武团调一个营回来。王铭章当即同意，随即直接用电话给正在指挥北沙河阵地作战的张宣武，命令他留一个营于洪疃、高庙原地执行任务，留一个营置于北沙河第二线阵地暂归127师指挥，自己立即率一个营跑步开回滕县布置城防。
但大家都认为这点兵力还是远远不够，王铭章又拿起电话摇通总部：“喂，孙总司令吗？我是王铭章，向你紧急报告。日军一个先头部队部已经攻占了县城东北十里的冯河，攻城在即。366旅仍无音讯，想必是中途受阻，请总部速派援兵。”
“我这里哪有援兵？你把41军全部从城外调进城里，县城一定要死守。”
“死守滕县，我们早已下定决心，但是，我们现在处境十分困难。第一，部队全部胶着在前线，调不进城，没有援军孤城难守啊！第二，前方子弹告尽。”王铭章说。
孙震迟疑了一下：“这样吧，总部只有一个特务营。我留下一个连作总部警卫，其余全部调给你。我命令刘止戎营长率部连夜出发，同时，刚运来的一车皮手榴弹也全给你。”
“好！赶快运过来，越快越好！”王铭章大大松了一口气。他放下电话就叫赵渭宾立即命令三个师部的特务连长跑步到指挥部集合。
给特务连布置任务完毕，王铭章随即又带李绍坤到县政府找周同。见到黄馥棠老人正在跟周同说话，王铭章吃惊地问：“黄老先生，你怎么还没出城啊？”
“我是来向周县长请战的。”黄馥棠笑道。
王铭章说：“老人家，你还是赶快出城去吧，马上就要城防大战了。”
“国家兴亡，匹夫有责。城乡青年早已组织了义勇军。敌人攻城在即，他们都愿参加守城战斗，与县城共存亡。”周同解释说。
“我不同意。”王铭章反对说，“山东父老的爱国热诚，我是理解的，也很感动，�