1940年5月，日军为了控制长江交通、切断通往重庆运输线，集结30万大军发动枣宜会战。当时中国军队的第33集团军只有两个团驻守襄河西岸。张自忠作为集团军总司令，本来可以不必亲自率领部队出击作战，但他不顾部下的再三劝阻，坚持由副总司令留守，5月6日晚致书副总司令兼77军军长冯治安一函：
“仰之吾弟如晤：因为战区全面战争之关系，及本身之责任，均须过河与敌一拼，现已决定于今晚往襄河东岸进发，到河东后，如能与38师，179师取得联络，即率两部与马师不顾一切，向北进之敌死拼。若与179师，38师取不上联络，即带马师之三个团，奔着我们最终之目标(死)往北迈进。无论作好作坏，一定求良心得到安慰，以后公私均得请我弟负责。由现在起，以后或暂别，永离，不得而知，专此布达。”他自己亲自率领2000多人渡河作战。
张自忠率2000多人东渡襄河后，一路奋勇进攻，将日军第13师拦腰斩断。日军随后以优势兵力对张自忠所部实施包围夹攻。张自忠毫不畏缩，指挥部队向人数比他们多出一倍半的敌人冲杀10多次。日军伤亡惨重。1940年5月7日拂晓，张自忠东渡襄河，率部北进。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，蒋介石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。
1940年5月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，张自忠部被迫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。
1940年5月16日一天之内，张自忠自晨至午，一直疾呼督战，午时他左臂中弹仍坚持指挥作战。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。当天深夜，日军设在汉口的广播电台中断正常广播，插播了张自忠阵亡的消息，并称：“我皇军第三十九师团官兵在荒凉的战场上，对壮烈战死的绝代勇将，奉上了最虔诚的崇敬的默祷，并将遗骸庄重收殓入棺，拟用专机运送汉口。”
日军对张自忠将军表现了极大的崇敬，由军医用酒精仔细清洗遗体，并包扎好伤口，郑重装殓，放进赶制的棺材里。此棺被葬于一处山坡上，并立墓碑，上书：“支那大将张自忠之墓”。张自忠将军殉国后，遗体当晚被日军13师团盛殓后葬于陈家集(湖北省襄阳县属)。18日，我军黄维纲部将敌击溃，觅获葬处后，连夜将张自忠将军遗体运回荆门县襄河西岸快活铺三十三集团军总部，在总部各界军民祭悼后，由手枪队将灵柩护送至宜昌，由冯玉祥将军商请卢作孚派“民风号”专轮，将灵柩运往陪都重庆。
18日上午，忠骸运抵快活铺，三十三集团军将士痛哭相迎。冯治安将军和两名苏联顾问含泪查看了张将军伤势，发现全身共伤8处：除右肩、右腿的炮弹伤和腹部的刺刀伤外，左臂、左肋骨、右胸、右腹、右额各中一弹，颅脑塌陷变形，面目难以辨认，唯右腮的那颗黑痣仍清晰可见。冯将军命前方医疗队将遗体重新擦洗，作药物处理，给张将军着马裤呢军服，佩上将领章，穿高筒马靴，殓人楠木棺材;然后率众举行了庄重的祭奠仪式。
张自忠殉国后，国民政府为避免影响全国抗战士气，未立即公开发表消息，直到同年“七七”抗战三周年纪念日，才将此公诸报端。
