庞炳勋的第40军第39师以第115旅与第59军协同，向尤家庄的日军展开侧击，以第117旅向东、西旺一带的日军进攻。
张自忠带领59军强渡沂河之后向日军第5师团发动猛烈进攻。左翼38师渡河后，一路冲杀，连克日军坚固阵地四五处。不过板垣师团毕竟是日军精锐，第5师团迅速停止了对庞炳勋部的攻击，转而全力向38师反扑，双方展开混战，往来几个回合，38师伤亡400余人，被迫退回沂河西岸。
右翼180师渡河后，分两路向前攻击。日军出动增援部队与59军展开激烈争夺，阵地失而复得者数次。经过奋战，180师以伤亡800余人的代价将日军击退。
由于板垣征四郎将第5师团主力全部用于对付59军，第3军团正面日军兵力大减。庞炳勋抓住有利战机，率第3军团猛袭日军侧背，有力地配合了59军的正面攻击。
至17日上午，第59军已伤亡6000余人，第一线作战部队的连营长伤亡三分之一，中日双方都在苦撑，这场战争的胜利，将决定于谁能坚持最后五分钟。
张自忠命令除李文田副军长留军部主持工作外，其余各级部队主官一律到前线督战指挥。他决心倾尽全力，与板垣征四郎一决雌雄。
当日黄昏后，59军利用日军得不到飞机支援而又不惯夜战的有利条件，向河西之敌发动进攻。激战一夜，以肉搏战将渡至河西的日军击歼近半。，这次沂河两岸战斗，第5师团坂本支队伤亡约3000余人。日军大部退向莒县，一部退至汤头。
就在张自忠准备向日军发起追击之时，日军忽然发起疯狂反扑，59军阵地多处告急。张自忠率领59军官兵咬牙死战！素来顽强的日军在59军痛击之下终于丧失了继续战斗的意志，狼狈撤回河东，然后掉头向北逃窜。
得知临沂大捷的消息之后，最高当局致电李长官、黄浩然张自忠、庞炳勋，予以嘉勉。
几乎就在张自忠取得临沂大捷的同时，矶谷廉介的第10师团终于攻克了滕县！
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22集团军司令孙震：“滕县为津浦路北段要点，关系全局，应竭力死守。”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，于是他做出了集中兵力守卫滕县县城的决定！。
但是王铭章的防御计划并没有实现，他电令撤入滕县守备的第366旅仅有先头部队1个营撤回了滕县。第366旅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。滕县城关地区的部队虽然番号众多，但实际的战斗人员仅有3000余人，还有相当一部分是地方武装。
将滕县团团围住的濑谷支队主力先是对东关进行了约2小时的炮火准备，然后集中火力将东关外围土墙轰开一个缺口，在猛烈机枪火力掩护下，日军步兵端着刺刀向土墙的缺口处冲击。被川军以密集的手榴弹击退。之后日军在飞机、炮兵火力掩护下多次向东关进攻，均未能得手。
无奈之下濑谷支队只能将主攻方向改在了南城，日军先以150毫米榴弹炮轰击城墙，然后由坍塌处爬上城墙，再迅速向东、西城墙扩张战果。不久，东关及西城门楼均为日军占领，仅余城内、北门及东北城角的守军仍在继续抗击。在日军强大火力制压下，守军逐渐失去指挥。王铭章在转移途中中弹牺牲。18日中午，日军完全占领滕县城。((www.2345xs.cc 2345小说网全网最新)，如欲知后事如何，请登陆，章节更多，支持作者，支持正版阅读！)