面对日军的猖狂进攻，要塞司令刘振铨临阵退缩，辞职脱逃，跑到南京去了，并公函致翁照垣说，要滕久寿奉命督战，滕久寿暂代要塞司令职务，遇事听翁旅长指挥。滕久寿很清楚，面对从海空两面夹击、军力和装备都占绝对优势的日军，滕久寿孤军奋战必然凶多吉少，但是作为一名中国军人，他不可能有另外的选择。

　　在多次击退日军进攻后的第七天，虽然伤亡惨重，吴淞要塞却依然掌握在中国军队手中。2月4日，“天气严寒，雪雨纷纷，雾又低，敌机不宜活动，我军依定原计划向该敌猛攻……攻至上午十时，各线无甚进展……伤亡官兵千余人”。敌舰13艘、商船1艘，日军第3舰队（司令长官野村吉三郎）第1遣外舰队（司令长官盐泽幸一）集中十数艘军舰对炮台进行猛烈轰炸。

　　壮烈牺牲

　　其实2月4日这一天上午一时左右，在黄浦江口内外往来移动，企图向吴淞要塞炮台进攻和趁隙登陆之势，滕久寿命炮台向敌舰瞄准射击，发几炮后，敌舰一部分退出口外，一部分驰进口内，在占领适当海面后，一齐向炮台还炮。一时炮声大作，愈战愈密。第七十八师第一五六旅旅长翁照垣命第四团迫击炮连、也发炮助战，我沿江一带的守军也以机枪向敌舰射击，敌舰也以机枪还击。

　　这次炮战之激烈时前所未有的。其中不少准确命中我吴淞炮台，而我炮台仍继续发炮，直到敌机出战，我炮台几乎全被毁。这时恼羞成怒的日军出动共24架飞机，于炮台上空轮番轰炸，掷下重量炸弹无数，敌舰炮也配合敌机炮击，企图摧毁炮台。激战约两个小时后，我炮台已陷于瘫痪，炮台上先后被炸毁6们大炮。

　　吴淞全镇几成火海，炮台内到处是一二丈深的炮弹坑。滕久寿巍然坚守阵地，指挥炮火奋力还击。一枚弹片击中滕久寿的左臂，随身护兵要他暂时退避，滕久寿拔出手枪，说：“我是军人，负有保国卫民之责，速还炮杀敌，后退者枪毙！”话音刚落，他的右腋又被敌弹击中，整个右手刀切一般被弹片削断，紧接着，又一枚炮弹爆炸，弹片直接穿透他的胸腹，滕久寿壮烈牺牲，时年33岁。

　　滕牺牲后，炮台的炮兵更加决心击敌。在战火中，他们将腾将军的遗体用棉絮包裹后，就地掩埋。同年3月中旬，普善山庄蓝十字会前往掩埋之地，找到滕久寿将军遗体，又家属备棺收殓，将灵柩用轮船运到上海，由第19军军长蔡廷锴为主委的治丧委员会经办丧事，安葬在霍必蓝路永安公墓。国民政府追赠吴淞区要塞司令部上校参谋长为少将军衔。

　　血洒淞沪

　　滕久寿殉难后，十九路军军长蔡廷锴，亲自写下“血洒淞沪”条幅，以慰英灵，上海《新闻报》、《申报》、《时事新报》都报道了滕久寿的英勇事迹。大夏大学教授王遽常虽“与将军实无一面之缘”，但出于爱国热忱，特从报上汇集资料，为滕久寿撰写了《腾将军传》。

　　上海沦陷后，滕久寿将军之妻杨佩瑶失去了生活资助，被迫带着三个孩子经过长途跋涉，历尽艰辛返回原籍贵州三都县城居住，1975年病故。

　　1984年6月26日，北京市人民政府批准原国民革命军第十九路军吴淞要塞司令部参谋长滕久寿将军为烈士。同年7月6日，中华人民共和国民政部为滕久寿正式颁发了《革命烈士证书》，执证人为滕久寿之次子腾树威。

　　滕久寿戎马一生，“常以精忠报国自励”，“在军截然自异，严取与，耻私斗，唯以死勖所属”，“位日隆，人以为荣，公顾怏怏。闻东事起，常咄咄，益自淬励”。