过后，张自忠派人护送徐惟烈撤离，又命令张敬转移，但张敬坚决不走。
下午两点左右，日军步兵在炮火掩护下发起攻击。张自忠站起身来，带伤督战。此刻，他已不指望援军到来，只希望在战死以前，指挥仅有的一点兵力多杀几个敌人。他神色严峻，威仪凛然，两眼闪射出令人震颤的光芒，给官兵们增加了勇气。张敬追随在他左右，一面走，一面高喊：“总司令在此，谁也不许退！”
行进中，张自忠突然发现，西南方小山头上退下了几个散兵，就狠狠地对卫士说：“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！”几个士兵一听，连忙转身冲上山去。
冲上去的士兵牺牲了，山头失守。日军从山顶冲下来。跟在张自忠身边的手枪营士兵冲上去抵挡，一面高喊：“总司令快走！”不料，喊声引起日军的注意，更加凌厉地逼近。副官和卫兵强制张自忠转移，张自忠不走，大骂卫兵怕死。刚刚提升为连长的王金彪，指挥本连剩下的几十个弟兄，堵击进攻的日军，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，噙着泪说：“总司令，我们不怕死，请您先走一步，我们不打退当面的敌人，死在这里也不走！”接着，他叫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身影，张自忠大吼：“好样的，不愧是我张自忠的部下！”
经过惨烈的激战，马贯一师的两个团已死伤大半，一部溃散，剩下的几百人，主要集中在东山阻击日军。为保卫张自忠的安全，马贯一从仅有的几百人中抽出一个营，派往杏仁山支持手枪营。该营在途中受阻，张自忠把手枪营大部派出增援。看到东山口方面第四四三团不敌日军，他又将身边仅有的一个手枪排派去支援。这样，他身边只剩下张敬和马孝堂少校等人。
三点钟左右，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，撤回杏仁山脚下，作最后的抵抗。
面对步步逼来、怪声吼叫的大批日军，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的日军阻挡在山脚下，达两个多小时。
厮杀在雨中持续，手枪营士兵所剩无几，王金彪也在激战中阵亡。张自忠眼看前方官兵一个个倒下，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，向日军扫射，十几名日军应声倒毙。这一刹那，远处的日军机枪向他射来，他身中数弹，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，鲜血溅了一身。
伤口还没包扎好，日军就一窝蜂冲了上来。张自忠对张敬和马孝堂等人说：“我不行了，你们快走！我自己有办法。”大家执意不从，张自忠拔出腰间的短剑自尽，卫士大惊，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，对国家，对民族，对长官，良心很平安。你们快走！”
这时，日军已冲到跟前，多处负伤的张敬举枪击毙几名日军，被蜂拥上来的日军用刺刀捅死。
日军战史资料记载了这场战斗的最后情节：
第四分队的藤冈元一等兵，是冲锋队伍中的一把尖刀，端着刺刀向敌方最高指挥官模样的大身材军官冲去。这人从血泊中猛然站起，眼睛死死盯住藤冈。冲到距这个大身材军官不到三米的距离时，藤冈一等兵从他射来的眼光中，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。他的脸上微微地出现了难受的表情。
与此同时，藤冈一等兵似乎被枪声惊醒，也狠起心来，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，这个高大的身躯再也支持不住，像山体倒塌般轰然倒地。
张自忠倒下后，南瓜店一带枪声骤停，格外寂静。硝烟弥漫的战场上，尸体横七竖八，细雨无声地飘落。殷红的血随着雨水缓缓流淌，染红了黑色的泥土。历史定格了一个静穆的场面，一个永恒的瞬间。张自忠无愧地死去了，时年四十九岁。五百多人与他同时殉国，包括张敬、洪进田和马孝堂。
日军开始打扫战场，他们估计刚刚死去的这位军官，一定是位将军，便翻动遗体搜身，从他身旁的手提保险箱中，翻出了“第一号伤员证章”，还从胸兜中掏出一支派克金笔，上面刻着“张自忠”三字。藤冈和堂野大为震惊，不禁倒退几步，啪的立正，恭恭敬敬地向遗体行了军礼。
张自忠是中国抗日战争中为国捐躯的最高级将领之一，也是第二次世界大战反法西斯阵营五十多个国家中战死沙场的最高级将领。张自忠的死，向日本侵略者昭示了中国军人的庄严人格，显示了不畏强暴的英雄气概和誓死救国的坚强决心。
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