双方展开激战，刘将军自知形势危急，亲临前线指挥作战，用抗日必胜，誓死不作亡国奴的革命道理教育抗日官兵，鼓励他们沉着应战，奋勇杀敌，报效国家，众将士见师长这样奋勇，个个勇气倍增，用猛烈的步兵火力狠狠地打击敌人，双方拼死争夺，死伤惨重。
激战至二十二日午，刘将军率部击毁敌装甲车三部，歼敌寇联队长龙野以下百余人。正在这时，一颗炮弹炸伤了刘桂五将军的腿部，血满军裤，部下急忙劝他下去休息，他厉声大呼：“受伤即退，何以胜敌，……速去冲杀，勿复多言。再有劝退者枪决。”说完他裹伤再战。为了鼓励士兵英勇杀敌，安定军心，表示其誓与日军血战到底的气概，他亲自带伤登岗指挥作战，抗日将士得知主官受伤不退，誓与日军血战的消息，个个感动万分，作战更加奋勇，人人争先杀敌。双方战至下午四时，日军又用猛烈的炮火轰击我方的阵地，阵地上硝烟四起，火光闪闪，一颗炮弹在刘桂五将军身边爆炸，弹片炸开了他的腹部，顿时鲜血遍身，扑倒在地，他挣扎支起身子高呼：“杀敌、杀敌”尔后，气绝身亡，壮烈殉国。
抗日烈士刘桂五将军壮烈牺牲的消息传来，全国抗日军民悲痛万分，决心狠狠地打击日本侵略军，为刘将军报仇。
刘将军的灵枢运抵西安时，西安各界人士数万人在国民党西安行营主任蒋鼎文将军的率领下出城敬迎忠骸，并于六月一日在西安革命公园召开追悼大会，政府要人，各党派、各界人士都送了挽联，沉痛哀悼为国捐躯的英雄，誓将日本侵略者驱逐出中国。
国民政府为表彰刘桂五将军抗日救国，英勇殉国的爱国主义精神，特追赠刘桂五烈士为陆军中将。