调滕县城中仅有的一支战斗部队——第124师的第372旅至深井以南的池头集建立第二道防线，以掩护深井第370旅之后背，并加强纵深防守能力。

由于第22集团军的作战指导是企图以阵地防御将日军阻止于滕县以北，所以在日军进攻前后逐次将主要战斗部队全部部署于滕县城北各地，滕县城关地区仅有第122、第124两个师部及第364旅1个旅部，共有4个特务连的战斗部队。当战斗进展激烈、城外各阵地伤亡急剧增加、形势极为严峻时，第五战区电令孙震：“滕县为津浦路北段要点，关系全局，应竭力死守。”同时告知第20军团第85军正在驰援途中。孙震将情况及命令告知王铭章后，王铭章决定加强城防力量，固守待援，立即电令城前第366旅迅急回援滕县；令第364旅炸毁铁路大桥，留1个营防守北沙河，1个营防守城西洪町，其余撤入城内；令临城的第41军特务营赶赴滕县。

15日黄昏时，界河阵地已被突破，龙山被敌包围。由城前返回的第366旅仅先头1个营撤回滕县，主力在城头村附近与日军迂回主力部队遭遇，被迫向临城方向退走。至15日夜，滕县城关地区的部队虽然番号很多，但实际战斗部队仅有11个步兵连、1个迫击炮连，共约2000余人；此外还有师、旅部的4个特务连约500人，滕县地方武装约500人。总计约3000余人。由北沙河退入城中的第122师第364旅第727团团长张宣武受命为滕县城防司令，统一指挥城关各战斗部队。他部署由城前退回的第398旅的1个营防守东关，令第727团1个营防守东、北面城墙，令由临城赶来的第41军特务营防守西、南城墙；其余为预备队，控制于东门内。

日军濑谷支队进至滕县附近时将部队区分为两队。其支队主力进攻滕县，第63联队配属一部炮兵及战车，由辛庄、中顶山迂回至滕县以南，切断滕县中**队的退路，并向临城攻击前进。

16日8时，濑谷支队留一部兵力继续进攻北沙河，主力迂回向滕县发起进攻。先对东关进行了约2小时的炮火准备，然后集中火力将东关外围土围墙轰开一个缺口，在猛烈机枪火力掩护下，以约2个小队的步兵向缺口处冲击。守军以密集的手榴弹火力封锁了缺口，并将敌击退。10时至16时，日军对东关连续发起了5次冲击，均被守军击退。但守军伤亡太多，曾3次从城中调预备队补充。日军经整顿后，