中国守军第二十二集团军第四十一军英勇抗击，伤亡甚重，苦战至十七日，该军守城的第一二二师师长王铭章殉国，滕县失守。
滕县之战，中国军队以七千之兵对付装备精良的日军数万之众，不惜重大牺牲，阻止日军南下，延缓了日军南侵的脚步，为调集军队守卫台儿庄的战略部署赢得了时间。
日军占领滕县后，骄狂之极，尽其所有，直赴台儿庄。日军兵力四万余，坦克车七八十辆，山野炮和重炮百余门，并以大批飞机助战，三月二十三日，冲到台儿庄北泥沟车站。
二十四日凌晨，日军以猛烈的炮火轰击台儿庄防御工事，随后以坦克为前导，冲进城内。台儿庄一带宅室多为石头建筑，故每一房屋皆为一堡垒。守军据房为垒至死不退。日军猛攻三昼夜。与守城将士发生激烈巷战。
战斗持续到四月三日，守城将士伤亡已逾十分之七，三分之二的阵地己为日军占领台儿庄守军仍据守南关一隅，拼死不退。
日军再次调集重炮、坦克猛轰、猛冲。李宗仁一面下令坚守，一面急令汤恩伯军团火速南下增援。次日黎明时分，台儿庄北面炮声隆隆，汤恩伯军于日军背后出现，日军撤退不及，陷入重围。台儿庄守军全线出击，杀声震天。血战经旬敌军己成强弩之末狼狈突围逃窜。
除一部分突围至峄县城固守待援外，日军遗尸遍野，坦克车被毁三十多辆，遗弃的各种车辆、弹药、马匹遍地皆是。台儿庄一役连同徐州南北各战场共歼灭日军一万余人，中国军民取得了抗战以来国民党正面战场一次最重大的胜利。
台儿庄大捷，又称台儿庄战役、鲁南会战或血战台儿庄。台儿庄战役的起止时间有几种说法，一般认为从一九三八年三月十六日开始至四月十五日结束。战役由滕县战斗、临沂附近战斗、台儿庄战斗和日军的溃退，中国军队的追击作战等部分组成。
在历时一个月的激战中，中国军队约二十九万人参战，日军参战人数约五万人。中方伤亡约五万余人，毙伤日军约二万余人（日军自报伤亡一万一千九百八十四人）。
台儿庄战役打击了日本侵略者的嚣张气焰，坚定了全国军民坚持抗战的信心。这次战役鼓舞了全民族的士气，改变了国际视听，消灭了日本侵略者的威风，歼灭了日军大量有生力量。
此次大捷是中华民族全面抗战以来，继长城战役、平型关大捷等战役后，中国人民取得的又一次胜利，是抗日战争以来取得的最大胜利，也是徐州会战中国民革命军取得的一次重大胜利。
台儿庄战役由民族英雄李宗仁、白崇禧、孙连仲、汤恩伯、张自忠、田镇南、关麟征、池峰城、王铭章等抗日将领指挥。
战役期间，中国抗战最高统帅老蒋曾三次赴徐州视察、督导、调配兵力，其中第一次，老蒋在台儿庄战斗最激烈的时刻亲赴台儿庄南站观战，并亲自勉励池峰城，前线将士因而士气大振，大大增强了前线将士的战斗力。