黄昏时，界河阵地已被突破，龙山被敌包围。由城前返回的第366旅仅先头1个营撤回滕县，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。至15日夜，滕县城关地区的部队虽然番号很多，但实际战斗部队仅有11个步兵连、1个迫击炮连，共约2000余人；此外还有师、旅部的4个特务连约500人，滕县地方武装约500人。总计约3000余人。由北沙河退入城中的第122师第364旅第727团团长张宣武受命为滕县城防司令，统一指挥城关各战斗部队。他部署由城前退回的第398旅的1个营防守东关，令第727团1个营防守东、北面城墙，令由临城赶来的第41军特务营防守西、南城墙；其余为预备队，控制于东门内。
日军濑谷支队进至滕县附近时将部队区分为两队。其支队主力进攻滕县，第63联队配属一部炮兵及战车，由辛庄、中顶山迂回至滕县以南，切断滕县中**队的退路，并向临城攻击前进。
16日8时，濑谷支队留一部兵力继续进攻北沙河，主力迂回向滕县发起进攻。先对东关进行了约2小时的炮火准备，然后集中火力将东关外围土围墙轰开一个缺口，在猛烈机枪火力掩护下，以约2个小队的步兵向缺口处冲击。守军以密集的手榴弹火力封锁了缺口，并将敌击退。10时至16时，日军对东关连续发起了5次冲击，均被守军击退。但守军伤亡太多，曾3次从城中调预备队补充。日军经整顿后，于17时许又组织第6次冲击，突击部队改以三梯队实施波浪式冲击，同时还延伸火力向东门及城内实施拦阻射击，以阻止城内部队增援。经激烈肉搏，至黄昏时，日军突击部队第三波冲入东关，兵力约1个小队。当夜，守军再由城内增调1个连组织反冲击，将突入之敌大部歼灭，收复了东关。24时左右，防守深井、池头集的第370旅、第372旅残部及防守北沙河、洪町的第727团2个营先后由西门退入城中。此时滕县城北第45军各部均已在阵地被突破后分向微山湖及峄县等地溃退。
17日6时许，日军在飞机、炮兵火力掩护下再度向东关进攻，就在这时，南方突然飞来二十余架中国战机，对日军的飞机和进攻部队发起猛烈反击，轻松击溃对空防备不足的日军，使其本次出战仍未有进展。
这支突然出现的空军部队，正是从南京方向前来增援徐州的范哈儿部所属空中力量。
范哈儿虽然没有派遣陆军大规模增援徐州，但是对于电子侦察和空军支援上，还是非常配合的给予了李宗仁大量支持。在14日再次接到他的援助请求后，就立刻派出了飞机参战，并且在确定了今天日军的进攻目标，首次介入战事，顺利帮助守军击退日军进攻部队，很是给了李宗仁一个面子。
李宗仁一边继续指挥战事，一边却也不忘致电感谢范哈儿，希望他的空军力量，能够继续随时增援徐州战场。
对此，范哈儿当然是欣然应诺，表示没有问题。
虽然在上海的日本空军，在最近休整增援期间，实力得到大规模恢复，范哈儿的空中力量，即便同样得到了四川和苏联的援助飞机，但是已经不再绝对稳占华东地区的制空权了。这时候分兵支援徐州战场，却也是怕日军的华北空中力量，和上海的空中力量联合起来，一起绞杀了自己的南京空军，所以干脆提前出击，像教训日本的上海空中力量一样，先在日本华北空中力量的的心中，留下自己不可战胜的印象。
随后果然如范哈儿所言，几次出击，利益先进飞机加上地面情报优势，范哈儿很顺利的击退了日本南下先遣支队的空中力量。
但是范哈儿也很清楚，日本的南下与否，最终还是取决于陆军战场，这时侯的空军载弹量有限，还基本无法改变整个战局。所以虽然参战，野战机场却是一直设在后方，坚决不肯让飞机在徐州以北地区地面驻留。
果然，日军于17日下午将主攻方向改在南城，先以15厘米榴弹炮集中火力轰击城墙，致城墙上的守军大部牺牲。激战至15时30分，日军由坍塌处突上城墙，迅速向东、西城墙扩张战果。守军残部由西门退至西关车站。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，王铭章在城中十字路口附近指挥巷战。但在日军强大火力制压下，守军逐
第二百五十八节 激战