張自忠率2000多人東渡襄河後，壹路奮勇進攻，將日軍第13師攔腰斬斷。日軍隨後以優勢兵力對張自忠所部實施包圍夾攻。張自忠毫不畏縮，指揮部隊向人數比他們多出壹倍半的敵人沖殺10多次。日軍傷亡慘重。
5月7日拂曉，張自忠東渡襄河，率部北進。在日軍集結重兵南下時，我方主力本應暫時規避，尋機集中力量分別圍殲來犯之敵。但是，蔣介石被日方的假情報迷惑，錯誤判斷形勢，下令第五戰區部隊同時圍殲南北兩路日軍。雖然張自忠在河東的部隊只有五個師二萬余人，兵力僅及對方壹半，但軍人以服從命令為天職，他立即根據自身情況調整部署。
然而不幸的是，張自忠的電報密碼被日軍截獲破譯，他的軍事部署已完全被敵方掌握。日軍當即調集兩個師團另加四個大隊奔襲而來。14日，雙方發生遭遇戰。15日，張自忠率領的1500余人被近6000名日寇包圍在南瓜店以北的溝沿裏村。當日上午，日軍發動進攻。敵我力量極其懸殊，戰鬥異常慘烈。至下午三時，張自忠身邊士兵已大部陣亡，他本人也被炮彈炸傷右腿。此時，他已撤至杏仁山，與剩下的十幾名衛士奮勇抵抗，竟將蜂擁而至的日軍阻於山下達兩個多小時。激戰到16日佛曉，張自忠部被迫退入南瓜店十裏長山。日軍在飛機大炮的掩護下，向中國軍隊的陣地發起猛攻。壹晝夜發動9次沖鋒。張自忠所部傷亡人員急劇上升，戰況空前激烈。
5月16日壹天之內，張自忠自晨至午，壹直疾呼督戰，午時他左臂中彈仍堅持指揮作戰。到下午2時，張自忠手下只剩下數百官兵，他將自己的衛隊悉數調去前方增援，身邊只剩下高級參謀張敬和副官馬孝堂等8人。
1940年5月16日下午4時。張自忠戰死。
張自忠戰死後，日本人發現張將軍遺體，審認無訛，壹起膜拜，用上好木盛殮，並豎木牌。並全軍向他行禮，甚至在他的遺體運回後方之時，日軍收到消息便下令停止空軍的空襲壹日，避免傷到張自忠的忠骸。