守衛滕縣的是川軍部隊第41軍（軍長孫震兼）122師（師長王銘章，四川新都泰興場人，後被追授陸軍上將）。主要武器是四川造的七九步槍、大刀、手榴彈和為數不多的土造輕重機槍、迫擊炮，裝備遠遠落後於日軍。再加之不久前在晉東戰場上同日軍作戰四十餘天，傷亡較重，到滕縣防守時，連輕傷兵加在一起僅有5000餘人，另有少量地方軍警武裝。下圖：黃圈為事發處，紅箭頭為日軍前進方向，藍點處為滕縣。
1938年3月16日晨上午10時，日軍野炮第一大隊、陸軍飛行隊聯合轟炸滕縣城，兩小時內滕縣城裡落炮彈三千多發。11時15分，東關寨牆的東南角被日軍炸開一個大缺口。日軍用數十挺輕、重機槍掩護60餘名步兵衝鋒。但很快被防守的第371團用手榴彈炸死50餘人。下圖：指揮滕縣攻擊戰的日軍福榮部隊長。
隨後日軍又組織了兩次進攻，都被我守軍打退。下午2時許，日軍第3大隊趕到藤縣，從南門進攻，同樣遭到迎頭痛擊，丟下了百餘名屍體後撤退。下午5時許，日軍又在重炮與飛機的聯合轟炸之下，衝擊東關正面陣地，雙方在陣地展開肉搏，最後仍有40多名日兵突入關內。此時天已變黑，中方又派一連的兵力圍攻日軍，終於全殲這股日兵，東關陣地失而復得。因為傷亡過重，後勤短缺，從臨城過來的援兵被日軍阻擊後自身難保。當晚，王銘章下令放棄滕縣外城陣地，把所剩部隊全部調進城內，重新部署防城。下圖：122師師長王銘章。
1938年3月17日早6點，日軍以60餘門大炮、20餘架飛機持續轟炸滕縣城區，幾乎將藤縣變成火海焦土，而中方卻因為沒有火炮、防空武器，只能被動挨打。下圖：對滕縣發動攻擊的日軍福榮部隊。
兩小時後，日軍派十餘輛坦克從東寨牆的塌口開始攻城，中方守軍用近身肉搏，甚至還有戰士抱一捆手榴彈衝向日軍坦克，最終擊毀兩輛坦克，擊斃日軍三十餘人，將日軍再一次打退，但中方卻為此犧牲了整整一個連。下圖：爬上滕縣城牆後，向城裡扔手榴彈的日軍敢死隊。
下午2時，日軍又以12門重型榴彈炮，20餘架飛機集中轟炸滕縣南城牆。並於下午3時半佔領了該地。包括第124師740團團長王麟在內的守軍全部戰死。下圖：1938年3月18日，山東滕縣，從東門入城的日軍赤柴部隊。
當日軍衝進東關時，王銘章師長不顧個人安危，親臨城中心的十字街口指揮作戰。經過激烈的血戰，到下午5時許西城門又被日軍佔領。隨後，日軍在城上集中火力向城中心掃射。下圖：1938年3月18日，從滕縣東門入城的日軍赤柴部隊。
王銘章師長命令身邊僅有的一個特務排向西城門猛撲，結果被日軍的機槍全部打倒。王銘章師長只好退到西關電燈廠附近，不幸被西城門樓上的日兵發現，一陣密集的掃射，王銘章師長和他的參謀長趙渭憲、副官長羅甲辛、少校參謀謝大墉、第124師參謀長鄒慕陶以及隨從十餘人同時為國捐軀。下圖：衝上滕縣城牆的日軍。
隨後日軍湧入城內，城內其他中國守軍沒有了統一指揮，只好各自為戰，同日軍展開了激烈的巷戰。下圖：日軍站在滕縣的城牆之上。
夜晚9時，除守北城牆的三百餘名官兵，在第727團3營副營長侯子平的指揮下，趁黑扒開了被日軍封死的北門，有組織地突圍出去外。其他守軍一直戰到18日上午全部壯烈犧牲。下圖：佔領滕縣的日軍。
當時在滕縣城裡有戰前從其他戰場轉來的300餘名重傷員，均無法走動。日軍破城後，這些傷員每人分得一顆手榴彈或少量子彈。他們有的與日軍同歸於盡，有的自我了斷，無一人投降。下圖：日軍在滕縣南部繳獲的中國軍隊的鐵道炮，此圖成了當時的日軍雜誌封面。
由於在滕縣遭到的阻擊過於激烈，日軍對滕縣的中國守軍及百姓實施了慘無人道的報復性屠殺。據戰後統計，滕縣保衛戰中方守軍共犧牲3200餘人，被殺百姓約2200餘人。日軍入城後姦汙婦女超過千人，整個縣城的房屋8成被毀。下圖：被日軍炮火炸燬的滕縣城外村莊。
中方估計日軍約戰死2000餘人。而日軍《第10步兵聯隊滕縣附近戰鬥詳報》記錄死傷失蹤人數為148人，其中死16人 ，傷129人，生死不明3人）下圖：日軍第10步兵聯隊滕縣附近戰鬥詳報。
指揮“徐州會戰”的李宗仁在回憶錄中寫道：“若無滕縣之固守，焉有臺兒莊之大捷！滕縣一戰，川軍以寡敵眾，不惜重大犧牲，阻敵南下，完成了戰鬥任務，寫出了川軍抗戰史上最光榮的一頁。”佔領滕縣後，日軍隨即南下，直指臨城（今山東省棗莊市）。