当时，张自忠手下的2000多官兵已几乎全部战亡，他身边仅剩下几十名警卫人员，由于张自忠平日对待官兵非常宽厚，因此即使到了最危难的时刻，将士们也仍然誓死保卫着他，并一面高喊：“司令快走，司令快走！”这更加引起了日寇的注意，加紧了围攻。尽管仍有最后一面山路可退，可张自忠依然坚持正面抗击日军，誓死不离战场。
当时，日军集中炮兵，直接朝着张自忠的指挥阵地疯狂炮击，炮弹如雨点般落在张自忠前后左右，张自忠的随从副官贾玉彬阵亡，参谋处处长吴光辽两腿也受了重伤，就在这种危急时刻，张自忠一面命令幕僚们赶紧散开，他本人则誓死不退，一直在散兵线上往返来回督战。1940年5月16日下午3时左右，左右夹击的日军已逼近到距离张自忠只有四五百米，在这种情况下，张自忠命令身边剩余的最后十几名手枪队队员全部冲上去，与日军展开了贴身肉搏战。
在肉搏战前，张自忠的高级参谋张敬说：“身死名垂乃军人殊事，今日愿与张公共存亡！”张敬呐喊着高呼：“不怕死的跟我上！”然后带着最后剩余的十几名国军将士，一起冲向日军，最终全部壮烈殉国。当时，张自忠全身已多处受伤，他的右胸被日寇的子弹洞穿、血如泉涌，日军疯狂围拢过来，张自忠的副官马孝堂，也陪伴张自忠将军，走到了生命的最后一刻。
在被日军连刺带砍了九刀，脑壳都被砍开、脑膜外露的情况下，勇毅的马孝堂仍然坚持存活了数日，临死前，马孝堂向后来救助他的国军官兵们，讲述了张自忠生命的最后时刻。这是1940年5月16日下午，湖北襄阳南瓜店、十里长山战场上：“总司令（张自忠）猛然前扑，旋又立起，右肩后流血了！很显然是被炮弹碎片炸伤了。与此同时，参谋处吴处长也受伤了。
到了十里长山，（张自忠）还在指挥，接着左臂也在流血！但是总司令仍然站在那里，怒目圆睁，大声呼喊着，指挥着。他的腿上也流了血，血湿透了袜脚。我见总司令突然向后一歪，右胸就往外喷血，总司令脱了上衣军装，让我给他裹伤。血如泉涌，溅上了我的脸和全身。我刚包扎完伤口，敌人就一窝蜂上来了！总司令命我快走开，还说，我这样死得好，死得光荣，对国家、对民族、对长官，心里都平安····”张自忠当时身上已多处子弹伤、炮弹伤，右胸更是被子弹击穿血如泉涌。
他被子弹的冲击力击倒在地，全身血迹，然而就在日寇逼近他时，张自忠仍然爆发出了生命中的最后气力，一跃而起，试图与日寇做最后一战。对于张自忠将军生命中，这无比勇毅的最后一刻，侵华日军在《231联队史》中也进行了记载：“第四分队的藤冈一等兵，是冲锋队伍中的一把尖刀，他端着刺刀向敌方最高指挥官模样的大身材军官冲去，此人从血泊中猛站起来，眼睛死死盯住藤冈。
当冲到距这个大身材军官只有不到三米的距离时，藤冈一等兵从他射出来的眼光中，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，第三中队长堂野射出了一颗子弹，命中了这个军官的头部。他的脸上微微出现了难受的表情。与此同时，藤冈一等兵像是被枪声惊醒，也狠心起来，倾全身之力，举起刺刀，向高大的身躯深深扎去。
在这一刺之下，这个高大身躯再也支持不住，像山体倒塌似的轰然倒地。”将军壮烈殉国。事后，日本人检视张自忠的尸体，才发现这位亲自带兵作战的集团军总司令，身上竟然有多达8处伤口：其中2处炮弹伤，5处枪弹伤，和1处刺刀伤。其中右肩、右腿为炮弹伤，腹部刺刀伤，左臂、左肋骨、右胸、右腹、右额各中一弹。将军，为了这个他挚爱的国家和民族，战斗到了最后一刻，流尽了最后一滴血。
8张自忠牺牲后，日军士兵感觉到这个“临死前还猛站起来、混血是血的大个子军官”可能来历不凡，随后他们从张自忠身上，搜出了一把刻着“张自忠”三个字的钢笔。可他们仍然不敢相信，这竟然会是一位敌军的总司令。战斗结束后，日军231联队长横山武彦随即命令，将张自忠遗体用担架抬往战场以北20余里的陈家集，随后由与张自忠相识的师团参谋长专田盛寿亲自核验。
日军资料记载：“专田盛寿举着蜡烛久久注视张自忠的面颊，突然悲戚地说，‘没有错，确为张君。’在场者先是欢呼，继而是一阵鸦雀无声的肃穆。”对于这位敌军的高级将领，日本人也给予了张自忠盛重的敬意。随后日军39师团长官村上启作命令军医，用酒精把张自忠的遗体擦洗干净，然后命人从战场附近的木匠铺里，为张自忠赶制了一口棺材入殓，并葬在十里长山的陈家祠堂后面的一个土坡上，坟上立一墓碑，上书：“支那大将张自忠之墓”。
