高级将领在骑九师师部研究了作战方案，决定总部乃留在河东，之后，又继续向南瓜店转进。
下午来到了南瓜店以北一里多地的小山庄——沟沿里。张令四四零团驻毛家湾、李家湾，负责向西北警戒。不多时，六十四师主力到达，张令其在南瓜店东南驻扎，并向东占领阵地，前哨直抵两乳山。
敌人跟踪而至。十六日晨，激烈的枪声打破了黎明的寂静，战斗从总部西边不过千米的毛家湾旁的小山子打响了（此地与总部只隔两个小山包），敌占领了第二个小山包。张总司令迅即到沟沿里后山上观察，命四四零团预备队增援上去，将小山包夺回。在西线之敌进攻的同时，东线之敌也攻占了两乳山，并继续用大炮向我前沿阵地轰击。日出时，我第一道防线被突破，敌攻占了牛肋巴骨山，居高发炮，沟沿里直接暴露在敌火网之下，总部迅速向东南撤退，将指挥所设在杏仁山旁的陈家湾。
九时许，进攻之敌得知我总部在沟沿里，便在飞机大炮掩护下，从东西两面向沟沿猛扑过来。东南面我七十四师守杏仁山至两乳山一线的四四四团和四四三团，先后告急，请求补充弹药（因七十四师是轻装渡河，一周来连日行军作战，无一日休整，加之远离后方，得不到补充，几乎处于弹尽粮绝之境），这时，参谋长李文田在电话中传达张总司令的指示说：“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，用嘴咬！”随后，总司令又派副官给马代师长送去亲笔便笺：马贯一，你当兵就跟着我，我们这次作战，关系到国家民族的兴亡，望你好好地打，狠狠地打，打好了完全是你的功，失败了我给你负责。马接到手谕后，立即到前沿督战了。在战况恶化的时候，总司令派人把苏联顾问和总部非战斗人员撤离了战场，而自己却坚守阵地。由于敌攻势越来越猛，我方伤亡惨重，原防线均被敌突破。敌接着又孤形推进，从东西南三面围攻，逐渐缩小包围圈，把全部人力集中到我军已不到一平方公里的阵地上，打得土石飞溅，硝烟弥漫。在万分危急之时，总司令对身边的指挥人员说：情况如大家亲眼所见，我看算不了什么！黄师长天黑可赶来解围，请大家相信，我张某绝不单独离开战场，现在三面都是敌人，你们就近分散隐蔽。说完，他继续呐喊着往来督战，哪里危险就出现在哪里。当张将军从阵地前沿返回已经中弹的指挥所时，传令兵见他左肩上的血把衣服染透了，就指着说：“总司令，您……”，张用手按了一下伤口毫不在乎地说：“没什么，不要大惊小怪”。
说完，就仔细地察看着指挥所中弹情况，见代理参谋处长吴光辽大腿被炸伤，血流不止，即叫两个参谋架着他往北撤下山去，而自己却仍在阵地上屹然不动。
下午一时许，敌攻占杏仁山，指挥所人员向村外突围时，全部牺牲于敌火网中，我战斗人员也大部伤亡。敌人的包围圈越来越小了，少顷，敌我短兵相接。在生命的最后一刻，张将军与高参张敬仍在阵地上高声指挥拼杀，张将军喊：“敌退，快打！”张敬传呼：“敌退，快打！”张将军喊：“左击！”张敬亦传呼：“左击！”
又混战半小时，敌我双方死伤累累。下午两点多，敌冲上我阵地，张将军不幸身中数弹，右胸穿洞，倒在地上还说了最后两句话：“我对国家、对民族、对长官良心平安。”“大家要杀敌报国！”说完壮烈牺牲。一代英雄，从此永别人间了，抗战以来，以兵团总指挥兼集团军总司令，亲率队伍，冲杀敌人，受伤不退，力战身殉者，此为第一人。
张将军牺牲时，年仅四十九岁。随同他一起殉国的，还有张敬等官佐及士兵三百余人。
张自忠将军殉国后，日军第三十九师团将其遗体抬到战场以北二十里处襄阳境内的陈家集，用酒精擦洗、白布裹好后，浅葬于其师团部驻地陈家词堂后面，并插上一块木牌，上写“支那总司令张自忠”。后我左纵队黄维纲部将张的遗体找到，护送至三十二集团军总司令部快活铺。经重殓后，将灵枢运往重庆。
枣宜之役，虽然张自忠将军和其他许多将士不幸牺牲了，但终将日寇围歼第五战区主力的企图彻底粉碎。张自忠及其所部的英勇奋战、前仆后继，对战局转危为安起了至关重要的作用。
身后获殊荣 英名垂千古
张自忠将军牺牲的噩耗传开后，全国上下为之震悼。其灵柩在转运过程中，沿途各界纷纷迎灵致祭。当运灵专轮驶抵重庆朝天门码头时，蒋介石带领军政要员齐往迎接。国民政府接连发出通电、褒扬令、入祀忠烈令、荣哀状，并特颁恤金十万元，决定举行国葬，追晋张为陆军上将。不久，将张将军安葬于重庆著名风景区—
—北暗梅花山麓。全国其他各大城市也都先后举行了追悼、公祭仪式。国共两党负责人和各界人士，纷纷为张将军的殉国而题诗、作词、写挽联。八月十五日下午，延安各界代表一千余人，齐集中央大礼堂，举行隆重的追悼大会。中共中央领导人毛泽东、朱德、周恩来等都送了挽词。毛主席的挽词是“尽忠报国”。大会宣读的祭文庄严他说：“将军之伟绩，一战淝水，再战临沂，三战徐州