也频繁进行空中侦察，判断日军将发起大规模进攻。为将敌军阻止于滕县以北地区，3月10日前后，孙震重新调整部署：将控制于临城地区的总预备队第122师师部及第364旅移驻滕县，将第124师师部亦由利国驿移驻滕县，并任命第122师师长王铭章为第41军前方总指挥，统一指挥第122师和第124师。王铭章将第122师的第364旅部署于滕县以北约8公里的沙河一带构筑阵地，加强正面防御的纵深；令第122师的第366旅进出至滕县东北约50公里的城前地区，掩护第45军第一线部队的右侧翼。这时第45军第125师的第375旅主力在界河东西之线，第373旅主力在普阳山，第127师主力在龙山地区。
3月14日拂晓，日军濑谷支队在飞机、战车掩护下，从两下店开始向中国军队的阵地进攻，很快突破了石墙、下看埠、白石山以及香城等前哨阵地，进至深井、界河、普阳山及龙山等主阵地带以北之线。第22集团军第一线各部依托既设工事顽强抗击。日军猛攻竟日，中国军队虽然伤亡甚众，但阵地屹然未动。
15日拂晓，日军除继续由正面进攻外，还加强了两翼的攻势，并企图迂回至主力阵地侧后。右翼龙山一带因地形有利，又有第127师主力防守，所以形势尚稳定；左翼深井方面，第370旅力量薄弱，伤亡太大，形势危急。王铭章急调滕县城中仅有的一支战斗部队——第124师的第372旅至深井以南的池头集建立第二道防线，以掩护深井第370旅之后背，并加强纵深防守能力。
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，第五战区电令孙震：“滕县为津浦路北段要点，关系全局，应竭力死守。”同时告知第20军团第85军正在驰援途中。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，立即电令城前第366旅迅急回援滕县；令第364旅炸毁铁路大桥，留1个营防守北沙河，1个营防守城西洪町，其余撤入城内；令临城的第41军特务营赶赴滕县。
15日黄昏时，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1