基于战场形势的变化，冯天魁(陈宝国 饰)对部署进行了调整，将原本驻守在界河与北沙河区域的川军66师部队全部撤回，集中至滕县内城进行防御。此时，日军矶谷师团与坂垣师团正计划实施合围，意图彻底攻占滕县。冯天魁所指挥的川军66师，在经历连日激战后，兵力已不足六千人。他们需要应对的，是数量达数万之众、装备占据显著优势的侵华日军部队。对于冯天魁此前处决王吉安的行动，徐州方面表示了明确支持。中国国民政府军事委员会委员长蒋介石亦传达期望，希望这支队伍能够继续坚守阵地，尽可能延长抵抗时间。为达成迟滞敌军的目的，冯天魁指挥部队在滕县城外额外构筑了三道防御工事，意图通过层层阻击拖延战局。在阵地上，他带领士兵们唱起了《义勇军进行曲》，以鼓舞士气。
战斗进行至第五日，日军向滕县发动了大规模攻势。然而，矶谷与坂垣师团的进攻遭遇顽强抵抗，进展并不顺利。为此，矶谷决定亲赴前线，直接指挥作战。冯天魁观察到日军的进攻部署，意图寻找机会扰乱其进攻节奏。此时，部下帅狗与黑子提出一项作战方案：由他们率领川军66师警卫营，组成一支超过四千人的敢死队，从滕县西北方向的一处高地主动出击，向敌军发起反冲锋，以期打乱日军的整体进攻阵脚。这一建议得到了采纳。与此同时，坂垣也抵达了前线指挥位置。当他获悉有川军部队试图从县城西北角突围时，立即调遣重兵前往堵截。帅狗与黑子率领的敢死队在冲锋过程中，成功炸毁了日军阵地上的部分炮兵单位，但警卫营官兵也在激战中全部牺牲。他们的行动，客观上减轻了滕县正面防线所承受的进攻压力。
经此一役，冯天魁麾下可作战兵力已锐减至不足两千人。由于持续多日的激烈战斗，川军部队的弹药储备也几乎消耗殆尽。就在此时，一位名叫孙木匠的张庄居民，通过隐蔽小路进入滕县。他是受八路军派遣，前来为守军担任向导的。然而，冯天魁因尚未接到上级明确的撤退指令，决定继续坚守。他同时下令，协助城中尚未撤离的百姓尽快转移离开。冯天魁向外界发出了表明决心的电报，表示已做好死战到底、以身报国的准备。战斗进入第六天，他准备亲自率领剩余川军士兵对日军发起作战。川军122旅黄旅长所部在弹药全部打光后，他带领约一千八百名士兵，毅然向日军阵地发起了冲锋。这一决死冲击的场面，使得矶谷大为震惊，匆忙命令部队暂时后撤以避其锋。
日军随后将滕县作战的指挥权移交坂垣部负责。冯天魁在阵地上找到了身负重伤、仅存一息的黄旅长。他知道，尽管代价惨重，但滕县此刻仍然掌握在川军手中。郑冲(陈月末 饰)在清点川军66师剩余人员后，向冯天魁报告，仅有两百人左右仍具备战斗能力。冯天魁立于风中，仿佛听到了已牺牲将士的声音。部队坚守到了第七天，他们准备在县城街巷之中与敌人展开最后的战斗，直至最后一人倒下。冯天魁命令郑冲向徐州发送最后一份电报，报告已坚守七日，并嘱咐郑冲在发报完成后立即销毁电台，此后各部各自为战，进行最后的抵抗。郑冲在此时向冯天魁喊了一声“父亲”，并表达了自己以他为荣的心情，冯天魁并未回头应答。
日军最终突入滕县城区，与冯天魁的残余部队展开了极为激烈的巷战。郑冲在战斗中被日军刺刀刺中，随后又被炮弹爆炸震晕。冯天魁本人则在城楼之上坚持战斗，在牺牲前击毙了大量日军士兵。战斗结束后，矶谷与坂垣登上城楼，看到了坐在那里的冯天魁的遗体，他面朝西南方向。矶谷在冯天魁身上发现了写有欠款字据的纸条以及房契、地契等物品。目睹此景，矶谷感到自己在精神上已然输给了这支川军部队，甚至对于日本能否最终赢得这场战争也产生了疑虑。他当场情绪激荡，口吐鲜血。郑冲成为了滕县保卫战中为数不多的幸存者之一。在整个抗日战争期间，统计数据显示，每五名阵亡的中国军人中，就有一人来自四川。冯天魁这一人物形象，是根据多位川军将领的真实事迹融合塑造而成的。