此时，张自忠手中可战之兵仅1500余人，而包围之日军则有五六千人，局势之险峻可想而知。傍晚，他致电黄维纲师长，令他率38师由新街前来解围。鉴于38师距离较远，且为当面之敌所纠缠，能否及时赶到没有把握，张自忠又致电樊城之第11集团军总司令黄琪翔请援，但未见答复。
夜里，张自忠住宿于一个叫余大保的农户家。由于连日来缺乏饮食，多以农田里的蚕豆充饥，他的旧病痢疾复发，腹泻不止，加之睡眠不足，劳累困乏，他消瘦了很多。然而，就在处境险恶、身体不适的情况下，他仍把百姓的疾苦记在心上。到几户人家走了走，看到村民一贫如洗，当即叫副官给全村每户发10块现洋。
5月16日，战斗首先从西边毛家湾旁的小山子开始。此地距沟沿里不过1000米，中间只隔两个小山包。守在这一线的是440团。
张自忠刚刚睡下就被惊醒，立刻起身带领李文田参谋长、张敬高参、苏联顾问和几个随从副官到沟沿里后山上观察。日军很快攻占了两个小山包。张自忠命440团预备队增援上去，夺回第2个山包。日军又几次冲锋，均被击退。战至日出时，440团第一道防线终于被突破，日军攻占沟沿里西北制高点牛肋巴骨山，居高发炮，沟沿里直接暴露在敌火网之下。与此同时，东线之敌攻克两乳山，以重炮向我前沿阵地轰击。张自忠遂将总部东移至杏仁山旁的陈家湾。
从5月3日以后，张自忠与外界联络之有线电报、有线电话均告中断，只有全部依赖无线电通信。日军第11军通信部队根据我方电台以不同频率向各方发报的情况，判断张自忠总部就在沟沿里附近，并于16日上午9时将这一情报通知日军第39师团长村上启作。村上顿时紧张起来，急忙调集五六千人和大批飞机、火炮，向沟沿里合围。
上午10时许，日军步兵猛攻沟沿里，440团退守石龙岗，隔山沟与敌相持。东面，从方家集越过十里长山之敌，与进入罐子口之敌相呼应，从东西两面夹攻我74师罗家窄屋阵地。日军攻势一浪高过一浪，敌我往返冲杀，阵地失而复得四次，战况异常惨烈。
枣宜会战中，中国第18军实施反击，一度夺回宜昌。战至上午11时，74师弹药几乎用尽。马贯一派人向张自忠请求补充。此时，总部与兵站已失去联系。张自忠命李文田用电话向马贯一传达指示说：“对敌人要狠狠地打！子弹打完了用刺刀拼，刺刀断了用拳头打，用牙咬！”
随后，他又派副官给马贯一送去亲笔手谕，上面写着：“马贯一，你当兵就跟着我，我决不会亏待你。现在到了国家民族生死存亡之际，正是我们军人杀敌报国之时。这次对敌作战，你只管拼命打，打好了完全是你的功，打不好我完全负责。”马贯一接到手谕后，立即赶到前沿阵地督战。
留守窑湾的74师部队，16日清晨接到张自忠命令后迅速凑集了180余人和4挺机关枪，派工兵营营长赵德志率领，跑步前来支援。张自忠把他们派到最吃紧的东山口。
激战在枪炮轰鸣中持续，张自忠对李文田说：“现在战况恶化，我们为国家牺牲是理所当然，但总不能让朋友在此流血，你派人陪同苏联顾问转移吧。”接着又喊道：“总部和政治部带枪的留下，空手的由李致远参军带领，到山背后西北方向集合！”随后指定440团掩护他们撤离战场。
李参军十分担心总司令的安全。撤离前，他悄声对洪进田说：“我走后，总司令由你和杜营长带领手枪营负责保卫，要劝说总司令转移到南山上去。”
不久，守卫东山口的工兵营弹药用尽，正欲动摇，74师参谋处主任许文庆在师指挥所大喊：“赵营长，总司令就在后头，要顶住敌人！”赵营长答：“许主任，你放心，我——”未及说完，就中弹阵亡。工兵营溃退下来，马贯一急调443团冲上去堵住缺口。
奉命掩护非战斗人员撤离的440团，因遭到日军猛烈冲击，数百人完全溃散。团长郑万良在混乱中逃离战场。中午，日军在加强东西两面进攻的同时，又开始猛攻南面的石窝，企图将我军压迫至长山脚下开阔地带加以围歼。
张自忠急忙将手枪营调到石窝阻敌。该营士兵多系冀、鲁、豫3省青年，身强力壮，勇猛剽悍。他们在杜营长指挥下，为保卫总司令同日军展开殊死搏杀。鏖战中，杜营长身负重伤，扑地不起，张自忠派人将他抬出险境。洪进田挺身而出，代杜营长指挥手枪营，继续与敌战斗。但不久，洪上校也中弹牺牲。全营4位连长，一个阵亡，两个负重伤，仅余张连长一人，士兵伤亡过半。石窝终于失守。日军从东、西、南3面猛轰我军不到1平方公里的阵地，直打得土石飞溅，硝烟弥漫。
张自忠得知南面石窝失守，立即带领几个随从赶往南面督战，途中恰好碰到张连长带领手枪营残部后撤，当即予以制止。他以激将的口吻对张连长说：“我是总司令，如果是连长，这几个蟊贼不够我一连人打的：”张连长一听，二话没说，甩掉上衣，赤膊挥刀，大喊一声：“不怕死的跟我上！”大家热血沸腾，蜂拥而上，日军被这不要命的气势所震慑，逃离了石窝。
夺回石窝之后，张自忠返回陈家湾指挥所。
日军的包围圈越来越小了。炮弹如暴雨般倾注，步机枪的吼叫声一阵紧似一阵。
突然，一颗炮弹在指挥所附近爆炸，弹片将张自忠右肩炸伤，紧接着又飞来一颗子弹将他左臂击穿，鲜血浸透了军装。护士长史全胜见状，急忙跑来为他包扎。卫兵们一见总司令负伤，都惊慌起来：“总司令，您——”张自忠按了按伤口，满不在乎地说：“没什么，不要大惊小怪的。”
卫兵们担心再出意外，都不约而同地围到他身边，以自己的身躯掩护总司令的安全。张自忠笑着批评说：“你们跟这么紧干什么？怕我跑不是？”
中午过后，日军攻势更加凶猛，其前锋距我陈家湾指挥所只有数百米。张自忠被数十名卫兵簇拥着撤至杏仁山。这时，我军虽三面被困，但东北长山方向尚未合龙，若翻过长山，仍可突围而出，夺一条生路。大家原想借指挥所移动之机，劝总司令翻越长山突围，但张自忠到达杏仁山后不肯再动，将指挥所设在这里继续指挥战斗。
眼看日军日益迫近，顾问徐惟烈小声向他建议说：“总司令，移动移动位置吧？”旁边也有人附和说：“敌人三面包围我们，不如暂时转移，重整旗鼓再与敌决战，不必要的牺牲应该避免。”
张自忠一听，很不高兴地说：“我奉命追截敌人，岂能自行退却！当兵的临阵退缩要杀头，总司令遇到危险可以逃跑，这合理吗？难道我们的命是命，前方战士都是些土坷垃？我们中国的军队坏就坏在当官的太怕死了！什么包围不包围，必要不必要，今天有我无敌，有敌无我，一定要血战到底！”
大家听了这几句分量很重的话，谁也不敢再开口了。
下午1时许，参谋处长吴光辽腿部被炸成重伤，血流不止。张自忠见状，立即吩咐两位参谋说：“把你们处长架走。你俩分在两边，各架一只胳膊。吴处长也要忍着点痛。你们往东北方向，翻过长山去吧！”想到总司令自己处于极度危险之中，而且已经负伤，还如此体贴照顾部下，他们三人都感动万分，不忍心此时离他而去。但张自忠一再催促，甚至要发火，他们这才流着泪，一步一回头地向东北方向撤去。……
这时，日军调集大批山炮对准杏仁山疯狂轰击，由于张自忠身着黄色军制服，目标十分暴露，炮弹如雨点般炸落在前后左右。副官贾玉彬、护士长史全胜不幸被炸身亡。张自忠右腿也被炸伤，裤腿、袜子均被鲜血浸透。
在生死交关的最后关头，李文田参谋长终于忍不住又开了口：“总司令，我们人太少，38师又赶不来，看情形是顶不住了，还是暂避一下，到山那边整顿一下再说吧！”“什么？老李，你也孬啦？”张自忠很生气。
见总司令动怒，李参谋长干脆把心里话照直说了出来：“论公你是我的长官，论私你是我的朋友，我理应跟着你，帮助你，但今天这个仗实在是打不下去了。现在赶紧转移还来得及，我劝你马上撤离吧！你实在不走，我可要走了。”
张自忠愣住了，心中感到苍凉。他静静地坐在一个土坡上，低头沉思，一言不发，任凭炮弹在附近爆炸，任凭伤口的血向外流淌。李文田站在那里，以为总司令会突然跳起来把他怒骂一顿，但张自忠并未批评他一句，而是抬起头来温和地对他说：“老李，你们谁都可以走，我是不能走。你们赶快走吧，不要管我了。”
李文田见劝不动他，只好带着两名卫兵悄然离去。
过后，张自忠派人护送徐惟烈顾问撤离，又命张敬转移，但张敬坚决不走。
下午2点左右，日军步兵开始在炮火掩护下发起攻击。张自忠站起身来，带伤督战。此刻，他已不指望援军的到来，只希望在死以前指挥这仅有的一点兵力多杀几个敌人。只见他神色严峻，威仪凛然，两眼闪射出令人震颤的光芒，给官兵们增加了战斗的勇气。张敬高参则像游龙般矫捷地追随在张自忠左右，一面走，一面高喊：“总司令在此，谁也不许退！”张自忠喊：“敌退，快打！”张敬传呼：“敌退，快打！”张自忠喊：“左击：”张敬亦传呼：“左击！”……
行进中，张自忠突然发现西南方小山头上退下几个散兵，就狠狠地对身边的一个卫士说：“你去看看那几个人是怎么回事，如果装孬种，就地正法！用刀砍不要用枪打！”
卫士一手提枪，一手持刀，奔上前去轻声对那几个士兵说：“总司令就在后面，赶快上去，否则杀头！”几位士兵一听，连忙转身冲上山去。
由于寡不敌众，这个山头还是失守了，日军从山顶冲了下来。跟在张自忠身边的手枪营士兵一面冲上去抵挡日军，一面高喊：“总司令快走！总司令快走！”不料，喊声引起日军的注意，日军更加紧了围攻。看到日军步步逼近，副官和卫兵们不得不强制张自忠向北面安全地带转移，张自忠不肯走，大骂卫兵怕死。
刚刚由排长提升为连长的王金彪正指挥本连剩下的几十个弟兄堵击来犯之敌，见总司令不肯撤退，便回身跑过来用脑袋顶住张自忠的胸脯，一边往后顶，一边噙着眼泪说：“总司令，我们不怕死，请您先走一步，我们不打退当面敌人，死在这里也不下火线！”接着，他示意卫兵将总司令拉走，自己又举枪挥刀冲到前方，带领弟兄们将冲上来的一股日军消灭了。望着王金彪健壮勇猛的背影，张自忠大吼：“好样的，不愧是我张自忠的部下！”
经过惨烈鏖战，74师443团、444团已死伤大半，一部溃散，残部数百人主要集中于东山口阻击日军。为保卫张自忠的安全，马贯一从仅有的数百人中抽出一个营派往杏仁山支援手枪营。但该营在赴援途中受阻，张自忠把手枪营大部派出救援，看到东山口方面443团不敌日军，又将身边仅有的一个手枪排派去支援。这样，他身边仅剩下张敬高参和兵站科员马孝堂少校等数人。
3时许，天空下起沥沥细雨。东山口守军大部战死，余部溃散。张自忠派出的手枪营士兵回撤至杏仁山脚下，作最后的抵抗。
面对步步逼来、怪声吼叫的大批日军，这些跟随张自忠多年的忠诚士兵，表现出惊人的勇敢和顽强，他们将生死置之度外，用血肉之躯将绝对优势之敌阻于山脚下达两个多小时。
厮杀在雨中持续，手枪营士兵所剩无几，王金彪连长也在激战中阵亡。张自忠眼看前方弟兄一个个倒下，再也按捺不住，提起一支冲锋枪，大吼一声，向山下冲去，扣动扳机向日军猛烈扫射，十几名日军应声倒毙。就在这刹那间，远处的日军机枪向他射来，他全身数处中弹，右胸洞穿，血如泉涌。马孝堂见他突然向后一歪，飞奔上前为他包扎，鲜血溅了马少校一身。
伤口还未包扎好，日军就一窝蜂地冲了上来。危急中，张自忠对身旁的张敬、马孝堂等人说：“我不行了，你们快走！我自己有办法。”大家执意不从，张自忠拔出腰间短剑自裁，卫士大惊，急忙将他死死抱住。
弥留之际，张自忠躺在地上，脸色苍白，平静地说：“我这样死得好，死得光荣，对国家、对民族、对长官，良心很平安。你们快走！”
这时，日军步兵已冲至跟前，多处负伤的张敬高参举枪击毙数名日军，被蜂拥而上的日军用刺刀捅死。
第四分队的藤冈元一等兵，是冲锋队伍中的一把尖刀，他端着刺刀向张自忠冲去，张自忠从血泊中猛然站起，眼睛死死盯住藤冈。当二人只有不到3米的距离时，藤冈一等兵从张自忠射来的眼光中，感到有一种说不出来的威严，竟不由自主地愣在了原地。
这时，背后响起了枪声，第3中队长堂野君射出了一颗子弹，命中了张自忠的头部。
与此同时，藤冈一等兵像是被枪声惊醒，也狠起心来，倾全身之力，举起刺刀，向张自忠刺去。在这一刺之下，张自忠再也支持不住，像山体倒塌似的轰然倒地。
时间仿佛蓦然停止，历史留下一个静穆的场面，殷红的热血交织着迷蒙细雨，构成一个永恒的瞬间，一代名将，壮烈殉国，与他同时殉国的还有500多人。
是年，张自忠49岁。