局势在进一步恶化。
第二天的守城战由于日军第四十联队和界河方向的部队一路烧杀赶到的晚。投入战斗时间也晚。虽然打的惨烈，城内守军还是支持到了晚上。第三天就不同了，战场更加惨烈，守军更加困难了。
第十、第四十联队都是鬼子精锐，装备精良，战术素质也高。而守军却是中国装备最差的部队，连门可以打坦克的战防炮都没有，唯一比较充足的武器是第五战区战前运进来的一列车手榴弹。手榴弹最多扔几十米远，鬼子坦克、装甲车上的炮和机枪却可以打几千米远，这场战斗注定是场一边倒的战斗。何况现在鬼子进城了，又是百倍警惕，守军就是再勇敢、再不怕牺牲，想用集束手榴弹再去炸鬼子坦克，那也得有机会才行，一般情况下战士们到不了坦克跟前就会被鬼子打死的。
鬼子兵力雄厚，这一次又是全面进攻，四处开花，打到中午的时候，守军已被鬼子分割成了几块，在苦苦支撑，眼见再不突围的话。部队就会就要全部牺牲在这滕县城里了。
王铭章再次给孙震发报，讲明城内情况，最后表明态度：“以川军薄弱的兵力和破败的武器，担当了津浦线上保卫徐州的第一线的重大任务，力量已不够是不言而喻的。我们身为军人。牺牲原为天职，现在只有牺牲一切以完成任务，虽不剩一兵一卒，亦无怨尤。不如此则无以对国家，更不足以赎川军二十年内战之罪愆了！职等决心死拼，以报国家！”
孙震接报后，知道城内情况已危险之极，王铭章发的是绝命电，遂下令陈鼎勋率城外的二十二集团军三个团冒死攻击，牵制日军，减轻城内压力。同时将王铭章电报转报李宗仁，附电询问二十军团到底在什么位置，为何不向临城、枣庄之日军发动攻击？如二十军团不能如期发动攻击，可否令王铭章突围，在敌后机动，威慑日军？
李宗仁此时心里已非常窝火，滕县方向川军在浴血拼杀，汤军团却动作迟缓。看起来，这滕县必须再坚守几天才行，否则的话，汤军团就不可能部署到位，更别说对日军实施围歼了。
但是，现在的情况已经很明显。滕县已经坚守三天，不可能再坚守下去了，今天就可能陷落。问题是滕县失守后，日军后续队伍就可能涌向临城、枣庄，直至攻向台儿庄。到时候，如果临沂方向和鲁西南方向再出现变故，日军第十六师团、第五师团再集中兵力杀向徐州来的话，不要说消灭日军攻向台儿庄的部队了，能不能守住徐州都成问题。
李宗仁绕室徘徊半天，再次给蒋介石发报，要求第一战区部队务必配合第三集团军阻击日军第五师团，使其不能东进。请求蒋亲自给汤恩伯电令，促其迅速部署，确保围歼孤军突出的日军第十师团濑谷支队。
发完给蒋介石的电报后，李宗仁坐在桌前，手指不停地敲击着桌子，边敲边想，既然是口袋，装一个联队是装，装两个联队是装，装三个又有何妨？日军第十师团经过二十二集团军几天来的拼死搏杀。伤亡一定很大，就放他们到台儿庄来，调集大军给它来个一锅烩，打一个国军系统前所未有的大胜仗，振奋一下国人的抗日精神。单是消灭第63联队有点小家子气，对战局也没有太大影响。
想到这里，李宗仁叫来参谋长徐祖贻，请他再次去临沂前线，协调指挥临沂各军行动，务必确保消灭日军第十师团濑谷支队前不让临沂日军前来增援。
徐祖贻欣然受命，与李宗仁探讨一阵临沂战局后，就去准备出发了。
李宗仁喝口茶，想清静一会儿，但脑子里跑马一样，一会儿是孙震的电报，一会儿是川军初到时破烂的军服和一张张黑瘦的脸。想了一会儿，李宗仁觉得战局大的方面筹划已定，与其让王铭章部全部牺牲在城里，不如退出城外，断敌后路。最起码可以收到袭扰敌人后方的作用。遂电令孙震，在滕县城外的二十二集团军各部，马上投入战斗，全力支援城内王铭章部战斗。夜里务必对敌发起袭扰作战，使敌摸不清我军虚实。至于城内部队何时突围，李宗仁明确指出：二十二集团军在界河、北沙河、滕县浴血拼杀几天几夜，表现出了川军英勇抗战之精神，为全军树立了典范。滕县能够坚守三天，殊为不易。为了保证后续作战胜利，特令二十二集团军守城部队选择时机突围。突围后。部队向西转移休整。两日后渡过北沙河，相机夺取界河，切断日军退路，并与第三集团军联系，共同担任断敌第十师团退路的任务。
接到李宗仁的电报，孙震急忙给王铭章发报，命令其组织一切力量固守，把部队集中起来，天黑后突围。并通报已令城外三个团全力进攻，策应守城。
孙震的电报，等于是给已经极端困难的守军打了一支强心针。本来已经是频死的人了，忽然知道有了一线生机，爆发出来的求生意志是非常强大的。在王铭章的命令下，已经被日军分割的各部队决死反击，王铭章、张宣武、王振文都带着警卫直接上火线拼杀，硬是把日军的攻势打得一挫，各部队的防线趁机恢复了联系。
从早上打到现在，日军也打的疲倦了，见川军拼死反击，濑谷启以为是回光返照，命令部队巩固阵地，四面围困，抓紧时间吃饭。等吃完饭。一鼓作气，全歼守军。
陈鼎勋奉命率领部队增援滕县守军，他知道日军已经完成对守军的包围，并压缩至县城一角，解围谈何容易？只能攻敌之必救，迫使敌人分兵，减轻守军的压力。于是，陈鼎勋把目光盯住了日军的炮兵阵地。但是，敌人炮兵阵地在滕县城东关，部队要绕到那里，必须运动到前十里铺、后屯一线。才能去抄日军炮兵阵地的后路。这个时候，天上的日机正愁找不到目标呢，要是绕这么远去攻击敌人炮兵阵地，那和去送死没什么区别。
思来想去，陈鼎勋决定先攻击距离最近的西关，争取打通一条与城内守军的通道，实在不行就大造声势，让鬼子以为援军赶到，分兵前来阻击。等晚上再去攻击日军的炮兵阵地，掩护守军撤退。
攻击前，陈鼎勋多留了个心眼，部队运动到位后，以一个团去攻西关的鬼子阵地，两个团在种寨和大彦村之间设伏，准备给追击的鬼子来一家伙。
仗打到这份上，战士们早已打红眼了，命都不算什么了，因为死的弟兄太多了，真正应了那句话：“人到战场不是人，命到战场比草贱”。所以，三个团争着去担任攻击任务，最后，人数比较多的125师缩编的团夺得了攻击任务。
陈鼎勋毕业于保定陆军军官学校二期，算得上军中宿将，又爱看川剧，对古人的谋略很是敬佩。他交待带队的团长，不要死攻，要用两个连布置疑兵，把全部军号都带上，打响后所有冲锋号都给老子吹响，让小鬼子知道我军增援大军赶到，让他们自动收缩阵地，不敢放手围歼守军。撤退时要快，否则鬼子的骑兵、坦克都会追上你们，那就不妙了。
陈鼎勋的意思军官士兵都清楚，就是要向诸葛亮一样大布疑兵阵，吓退鬼子。
125师进攻的时间正是日军换防吃饭的时候。枪声一起，十几把军号同时吹响，一个团的士兵扑向了滕县西关的日军。
担任西关警备掩护任务的日军见中国军队来势凶猛，一边求援，一边向西门收缩，企图凭借城墙工事固守。
濑谷启接到报告，以为真的是中国军队援军大至，慌忙令第四十师团增援西关，坚决击退中国军队援兵。后来，见这支中国军队很快就退兵了，濑谷启就觉得受了愚弄，这支军队充其量就是团级规模，凭他们也想来救援滕县守军，简直是做梦。不过，老是又这样一支军队在城外窥伺，也很麻烦，说不定他们会袭击辎重部队的。
于是，濑谷启下令四十联队派出骑兵大队和两个中队的步兵前去追击，务必消灭这股支那部队。
鬼子这一出城追击，正中城外川军的下怀，没有重火力，攻不开城门，打打小伏击总可以吧！结果，追出城的日军自然是钻进了川军的伏击圈。不过，川军确实是火力太差，让鬼子逃回来了一部分。
逃回的鬼子向四十联队报告了在种寨和大彦村遇伏，伤亡惨重的情况，濑谷启这才确信，城外确实有中国军队大部队，最少也是师级规模，随时可以抄日军的后路。濑谷启不惊反喜，马上命令第四联队出城，消灭这个中国师。
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