在日军集结重兵南下时，我方主力本应暂时规避，寻机集中力量分别围歼来犯之敌。但是，当时的中国统帅部被日方的假情报迷惑，错误判断形势，下令第五战区部队同时围歼南北两路日军。
虽然张自忠在河东的部队只有五个师二万余人，兵力仅及对方一半，但军人以服从命令为天职，他立即根据自身情况调整部署。然而不幸的是，张自忠的电报密码被日军截获破译，他的军事部署已完全被敌方掌握。日军当即调集两个师团另加四个大队奔袭而来。14日，双方发生遭遇战。
15日，张自忠率领的1500余人被近6000名日寇包围在南瓜店以北的沟沿里村。当日上午，日军发动进攻。敌我力量极其悬殊，战斗异常惨烈。至下午三时，张自忠身边士兵已大部阵亡，他本人也被炮弹炸伤右腿。此时，他已撤至杏仁山，与剩下的十几名卫士奋勇抵抗，竟将蜂拥而至的日军阻于山下达两个多小时。
激战到16日佛晓，张自忠被迫率部退入南瓜店十里长山。日军在飞机大炮的掩护下，向中国军队的阵地发起猛攻。一昼夜发动9次冲锋。张自忠所部伤亡人员急剧上升，战况空前激烈。
到下午2时，张自忠手下只剩下数百官兵，他将自己的卫队悉数调去前方增援，身边只剩下高级参谋张敬和副官马孝堂等8人。
不久，大群日兵已冲到面前。根据日方资料，日军第四队一等兵藤冈是第一个冲到近前的。突然，从血泊中站起来一个身材高大的军官，他那威严的目光竟然使藤冈立即止步，惊愕地愣在那里。冲在后面的第三中队长堂野随即开枪，子弹打中了那军官的头部，但他仍然没有倒下！清醒过来的藤冈端起刺刀，拚尽全身力气猛然刺去，那军官的高大身躯终于轰然倒地。这时是1940年5月16日下午4时。
张自忠战死后，日本人发现张将军遗体，审认无讹，一起膜拜，用上好木盛殓，并竖木牌。并全军向他行礼，甚至在他的遗体运回后方之时，日军收到消息便下令停止空军的空袭一日，避免伤到张自忠的忠骸。可见，张自忠将军在对日抗战所展现军人武德，连当时崇尚军国主义的日军都为之感动。
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