天神山大捷后，武将军以战功晋升为第九十八军军长，率部继续转战在中条山区，抗击日本侵略军。
一九三九年，国民党顽固派掀起了第一次反攻高潮，阎锡山密令其部队消灭山西新军，还派人拉拢武士敏将军夹击山西新军，武将军义正辞严地拒绝了，表示坚决与八路军合作，以国家民族利益为重，共同抗日，不把日寇赶出中国绝不罢休。
一九三九年下半年，由于日军的残酷进攻和国民党内投降妥协空气的影响，国民党朱怀冰等部队都离开了艰苦的山西根据地，而武士敏则坚决与中共合作，在官兵中经常宣传“抗日高于一切，坚持抗战到底”的道理。武士敏将军在朱德、彭德怀的鼓励帮助下，表示了坚决抗日的决心，模范地执行了真诚团结，抗战到底的正确方针。
一九四零年二月，朱德、彭德怀正副司令在沁县召开国共两党的东路军将领会议，共商团结抗日大计，武士敏将军在会后说：“我当了几十年兵，真正懂得为国报效是在小东岭会上听了彭副指挥的教诲后才认识的。从此，我才懂得怎样做一个真正的军人。”
第九十八军在武士敏将军的领导下，与八路军密切配合，打退了日军对我抗日根据地的多次猖狂进攻，坚持了山西的抗日战争，为稳定全国抗日战争的局势，支持正面战场作战，作出了巨大的贡献。
一九四一年五月，日军发动中条山战役，集结临汾、长治、晋城十万多人分十四路向中条山进攻。国民党驻守中条山的部队约二十万人。由于无充分准备，庞大的后勤机关不能疏散，部队无法展开战斗，结果受到严重损失，国民党二万多人投降，四万多人被俘，一万多人牺牲，其余十万多则奉命退过黄河，唯武士敏将军事第九十八军转战各地，坚决与八路军一起在山西抗击日军。日寇多次派人劝武士敏投降，但均遭拒绝。一次，日寇派一个认识武士敏的叛徒来劝降，武将军大怒：“我是一个军人，我应该死在抗日的战场！”遂将叛徒扣压。
九月下旬，日军集中主力三万余人，兵分十四路，向英勇抗战的武士敏将军的部队扫荡，合围第九十八军所在地沁水县东峪、西峪。由于敌我兵力对比悬殊，二十九日武部被日军包围，武士敏将军临危不惧，亲临马头山前线，指挥部队顽强抵抗，浴血奋战，并多次组织突围，终因敌人封锁严密，受到严重挫折，全军将士与日军反复冲杀，终因寡不敌众，全军覆没，武士敏将军在突围中被敌人子弹击中下腭，高呼：“拼到底，不成功，便成仁！”尔后壮烈牺牲，时年四十九岁。
武将军殉国后，全国抗日军民悲痛万分，晋冀鲁豫边区政府通令全区各地举行悼念仪式，追悼为抗击日本帝国主义侵略者而壮烈牺牲的英雄，要求各级政府，广泛宣传武士敏将军的抗日功绩，褒奖武将军崇高的爱国抗日行为，发扬武将军的坚持团结合作，共同抗日的精神，并函请边区临时参议会举行全边区追悼大会，筹建武将军抗日纪念塔，并将武士敏将军殉难的地区（沁水县东部）改名为“士敏县”
《新华日报》华北版分别写了消息报道和社论及悼念的文章，指出武士敏将军是一位具有远见卓识的军事家，也是一位始终与八路军精诚团结，并肩作战，共同打击日本侵略者而壮烈殉国的抗日英雄。
一九八四年十一月二十九日，山西省人民政府为追悼先烈，在长治市太行太岳烈士陵园中举行隆重的武士敏将军遗骨迁葬仪式，并建碑于墓前，以表彰武士敏将军的崇高的爱国主义精神。
一九八五年二月二十八日，曾在太岳山区与武士敏一起战斗过的中共中央顾问委员会副主任薄一波在《人民日报》上发表文章，追怀武士敏将军。
文中写道：“在几十年的斗争中，他始终不避艰险，模范地实践了国共两党的团结与合作，分享了第一次国共合作时期赢得的北伐战争胜利的喜悦，经受了第二次国共合作团结抗日的严酷考验，并为此献出了宝贵的生命。他的一生，是光荣的一生，战斗的一生，是实践了他‘为国报效’宏图大愿的一生。武士敏将军是我们党的忠实朋友，是中华民族的优秀子孙，他那勇往直前的革命意志，顾全大局的崇高品德，捍卫民族尊严的爱国主义精神，是值得我们永远怀念和学习的”。