1938年3月17日，一番血腥巷战后，到下午2时30分，滕县南城墙在敌众我寡的情况下失陷。
在场督战的川军370旅旅长吕康、副旅长汪潮廉，都负重伤……日军攻击越来越烈，川军工事尽毁，手榴弹用尽。739团团长王麟等人都阵亡。日军已突入城关，增援部队踪影全无。
恶战至夜，王铭章发出最后一电：立到。临城，军长孙，密。17日晚，我援军尚未到，敌大部队冲入城，即督所留部队，与敌军作最后血战！职王铭章。
关于王铭章之死，有“英勇阵亡”和“自杀殉国”两种说法。如电影《血战台儿庄》，就说是自杀殉国。
孙震在“详报”中，叙述了王铭章最后阵亡的详细经过：
“王师长见援兵不到，敌众我寡，城破敌入，大势已去，知杀身报国之时已至，乃自持手枪率同赵参谋长等，转登西城督战。是时轰炸炮击更烈，全城陷入火光烟尘之中……巷战越形混乱。
王师长环顾左右，所剩无几。吕康旅长弹贯面部，跌卧不能行动；王志远旅长、张宣武团长、汪朝廉副旅长等，均负重伤，仍指挥残部奋力死战。
王铭章观状泫然欲泣。旋赵渭滨参谋长被敌弹击穿腹部，踏地挣扎。
王铭章急趋前救护，不幸遭敌机枪扫射，当其执赵渭滨之手而泣慰时，一弹飞来直中腹部，竟卧地不起，然犹挥臂狂呼“杀敌”不已。
时有敌兵数人欲趋前加入，被王铭章连毙其三，余惊骇而退。无奈伤势太重，竟于手刃敌贼后，高呼“中华民国万岁”以亡。
赵参谋长亦同时殒命。罗副官长辛甲亦被枪伤坠城而亡。少校参谋谢大埔同于城上为敌平射炮击中头部而死。第124师税（梯青）副师长仅以身免。该师邹参谋长绍孟、傅副官长均阵亡。其余营长以下官佐，死伤几达十分之八九。”
周开庆在《民国川事纪要》中，录引1938年的《王烈士铭章传》，也记载了王铭章壮烈阵亡的情景：
“.....将军与参谋长及幕僚数人，亦均为敌弹所中，(王铭章）乃厉声顾谓左右曰：“你们去吧，继续和敌人拼命，不要管我。我死在这里，是很痛快地！”旋即光荣壮烈成仁，竟其毕生报国夙愿！”
川军老战士何煜荣、曾达光、徐诚回忆：日军攻入滕城后，王铭章在县城中心十字街口继续指挥残部顽抗。
敌人集中火力向十字街口猛射，王铭章等人且战且退至西北门之间登上城墙。敌火力猛烈，王铭章腹部中弹……卫士李少昆幸存，逃出了滕城。
一小时后，李少昆向突围途中的740团团长何煌荣汇报王铭章阵亡经过：“王师长受伤后，几名卫士用绑腿把他系住，缒下城来。这时，城外之敌又向他们扫射，王师长继续中弹……我眼见王师长阵亡，立即把他的私章取出，脱下他的大衣，掩盖尸体后突围出来！”
川军老战士孙帮安，2005年（时年93岁）回忆：滕县守卫战中最后关头，日本人通过汉奸翻译向王铭章喊话劝降，许给高官厚禄。
“‘哪个要做他的官儿！’王铭章吼道，‘我宁死也不投降！宁死也不做亡国奴！’”
随后，孙帮安看见王铭章从西关城头跳起，身子弹在空中。日军向他连发数枪，王铭章中枪身亡。孙帮安同战友一道向城外撤退，边走边放枪......
1941年由成都编印的《民族战争川军战绩史料存要》一书根据大量一手档案和亲历者叙述而成，披露了王铭章先战场受伤，后自杀殉国的史实：
“……奈敌众我寡，卒于17日下午3时，遭敌由东南城两缺口登城，窜上西城。我赵参谋长、两旅长、王团长均已阵亡。王铭章师长腹部亦中弹，旋王氏目睹大势已去，危城难守，且已身负重伤，不愿落入敌手，即用手枪自杀。临死仍高呼：“抗战到底！”此种视死如归杀身成仁之壮烈情绪，神鬼为泣、风雨为惊！千秋万岁，亦不至稍有磨减！”
书中还披露了川军普通战士令人荡气回肠的壮举：王铭章阵亡后，城内受重伤的300多川军官兵，不愿被日军残杀受辱，悲壮地狂骂着、号哭着……他们最后拼命大叫：“小日本必亡呀！”
惨烈的场景出现在日军士兵面前：这些战衣破裂、伤痕累累的中国军人，互相引爆手榴弹自杀殉国，全部消失在“隆隆”的爆炸烟雾中……
书中满含深情地感慨：“死事壮烈，实足以惊天动地、超前越后且有余啊！”
入夜之前，敌占领了东、西、南三面城墙，而东北、西北两个城角和北面城墙仍在我军手中。
整个滕城内外尸横遍野，血流成河。城内建筑悉化为焦土，火光烈烈，烟焰蔽空，入夜火光映射百里……
夜9时，北城墙上的我守军两三百人，在122师727团第3营副营长侯子平、连长胡绍章等指挥下，扒开已经闭死的北城门，突出重围。
而在城内与大部队失去联系的零星小部队约三四百人，未能突围，仍在各自为战顽强抵抗，激战枪声彻夜不绝，这部分军人最后全部战死。
直至18日午后，日军才完全占领滕县。
滕县保卫战，自1938年3月14日晨开始，至18日中午结束，共4天半，计108小时。仅在16、17两日，滕县城关落下的炮弹就达3万余发。
孙震在“详报”中，含泪写道：
“我集团军以绝对劣势之装备抵抗高度机械化敌兵，于极不利于防御之地形上阻敌锐进，达三昼夜之久。弹尽援绝，继以白刃，更继之以拳，复继之以齿，终继之以血、以头颅……虽牺牲殆尽，亦不稍顾！则我军战意之坚强、奉行命令之彻底，官兵视死如归，可谓超今逾古、罕有其匹。而死事之烈、报国之忠，虽与日月争光可也！”
孙震在“详报”中说，川军总共伤亡万人以上。进犯日军伤亡也十分惨重：毙伤敌军官佐达320余员，击毙士兵1500余名，击伤士兵5700余名。
结语
惨烈的滕县阻击战是台儿庄会战的重要组成部分，千里迢迢出川抗日的川军将士们用他们的血肉之躯为台儿庄会战击溃日军精锐矶谷师团付出了巨大的牺牲！
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