濑谷启接到报告，以为真的是华夏军队援军大至，慌忙令第四十师团增援西关，坚决击退华夏军队援兵。后来，见这支华夏军队很快就退兵了，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40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40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，城外确实有华夏军队大部队，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，消灭这个华夏师。
第40联队这一出城追击，王铭章等人感觉压力顿时一轻，集中精神对付日军的新一轮攻击。
这一打，就打到了天黑，守军自然是伤亡越来越大，日军也没有好过到哪里去。用第十联队联队长赤柴八重藏大佐的话说，进入支那以来，第十师团所向无敌。只有两次作战大大不利。一次是被支那教导队伏击，想起来都让人毛骨悚然，那是一片血肉模糊，精锐的皇军士兵像砖头瓦块一样，被教导队部队砸的粉碎。第二次就是这次滕县攻击战，当然，滕县守军不能和的教导队比，那是一群看不见的魔鬼，吃肉不吐骨头。不过，这滕县守军虽然没有教导队那么恐怖，但他们打的是以命换命，连伤员都拉响手榴弹和皇军同归于尽，造成进攻部队伤亡巨大，小小的滕县县城竟然是一块啃不动的钉子。
天黑后，王铭章和张宣武将部队收缩，固守在南城墙一带，准备突围。这一收缩，王铭章把牙都咬掉了两颗。守城开始时有5000多人，打了3天，5000人变成了1000来人，其中还包括三百多名轻重伤员。也就是说，4000名川军将士长眠在了滕县城内。
王铭章擦了把泪，命令张宣武，把所有部队整编成三个营，张宣武带一个营做突围先锋，王振文带一个营运送伤员，他亲自带一个营殿后，掩护部队突围。