下午三时半，日军占领滕县南城墙，东关阵地已弹尽粮绝，守军工事完全被毁，城墙被轰塌多处，日军在坦克掩护下突入东关阵地，团长王麟和政训员胡清溪中炮阵亡，日军占领南城墙和东关之后在城墙以火力掩护西南城的步兵向中国守军突击。同时日军炮火猛轰西城门楼，中国守军死伤惨重。下午五时，西门和西门以南的城墙被日军占领。
弹尽、粮绝、城已破，滕县城内已是一片焦土，日军源源不断地从缺口涌入，中国守军逐屋抵抗，122师师长王铭章拍发了最后一封电报：十万火急徐州李长官并转蒋委员长：目前日军已攻破滕县城防，我方援军至今杳无音讯，支部王铭章及全师官兵决心以死报效国家，以遂成仁之志，仅此急电。随后砸毁电台，烧毁文件，率指挥部到一线指挥作战。
王铭章师长、赵渭浣参谋长、罗中辛副官长、少校参谋谢大熏及124师参谋长邹慕陶等十余人步行到火车站途中遭到日军机枪扫射，全部阵亡，滕县城内最高指挥官仅剩张宣武团长。黄昏时分，张宣武团长中弹负伤，城内陷入无指挥状态，夜里九时，北城墙的守军二三百人有组织地扒开城门，突围出去。滕县失陷，但此时城内仍然有零星的中国守军与日军对抗，枪声响了一夜，直到天亮……
拼命赶来增援的500团还是晚了一步，17日下午，500团距离滕县仅一百华里，17日夜，滕县已经沦陷，
18日拂晓，急进中的500团终于看到了滕县城中冲天的大火和烟雾，沿途碰到少量溃兵，林广禄得知滕县已经失守。
林广禄听到这个消息的时候，几乎从马上跌落下来，没想到自己还是晚了一步，滕县失守，自己也自身难保，继续前进已经毫无意义，撤退也不知道该撤往何处，正踌躇中，突然前方枪声大起，500团前锋部队正好碰上了一支追击溃军的日军分队，日军没想到在这里会碰上中国军队，双方几乎面对面地撞到了一起，林广禄一咬呀：“屌丫咪！搞死一个算一个！”指挥部队冲了上去。
日军分队原以为是逃散的溃兵进行的无组织抵抗，稳住阵脚正想呼叫增援，岂料黑夜中突然冲出几百名举着大刀的中国士兵，一看打不过扭头就像兔子一样往回窜，腿脚快的山瑶佬舞着大刀足足将他们追出了十里地外，追得日本鬼恨不得多生两条腿，500团在黑暗中失去了目标，林广禄将500团收拢，可是又不知该如何是好。
滕县失陷，已和司令部失去了联系，黄汉生想了想，拍发了一封电报：“500团已到达滕县，然滕县已失陷，沿途败兵无数，500团誓死报效国家，林广禄、黄汉生 谨呈 叩。”
黄汉生这封置之死地而后生的电报救了林广禄和500团上下近千条命！若黄汉生老实说500团离滕县还有几十里，那么林广禄最起码是个驰援不力的罪名，滕县失陷对徐州影响甚大，虽然主要责任在于汤恩伯部畏战不前，但司令长官无法治汤恩伯的罪，最后板子肯定是打在林广禄的500团身上，滕县已失，多填一个500团进去也是无力回天，司令部电令500团收拢败兵并后撤待命。
滕县失陷第二天，汤恩伯主力到达临城以南的利国峄一线，得知滕县失守，又停了下来。
日军占领了滕县，略作休整后，先遣队随即南下追击逃散的中国军队并试探性进攻。
500团来回折腾一番，实在是走不动了，从滕县逃出来的川军连续厮杀几昼夜，也走不动了，他们停在了临城以北的荒山野地里休息。
