日軍連日進攻不能奏效，并且遭到慘重傷亡，難以前進一步。這對于日軍第十師來說，可以說是自臺兒莊戰(zhàn)役以來遭遇到的又一次嚴重挫折、筱塚、瀨川、岡田都氣得哇哇怪叫，他們都一致喊道：“張自忠、五十九軍這塊骨頭咋這么難啃??？”再拼下去，說不定第十師會又一次喪失戰(zhàn)斗能力，筱塚有可能重蹈他的前任磯谷的下場。

惱羞成怒的筱塚，便不顧國際公約禁止使用化學武器的協(xié)定，竟慘無人道地大量施放毒瓦斯彈，導致我官兵大量傷亡。

16日清晨，七里崗陣地失守，日軍開始攻擊潢川城，戰(zhàn)況急劇惡化。

緊急關頭，張自忠拒絕幕僚的極力勸阻，帶領劉振三師長和軍指揮部毅然進入潢川城督戰(zhàn)，士氣大增。

日軍以密集炮火猛烈轟擊潢川城，并以飛機向城內(nèi)投擲毒氣彈。全城傷亡不斷增加。劉振三師長兩次中毒昏迷。

張自忠命軍需處迅速給守城官兵，每人發(fā)日光皂兩塊，白毛巾一條，以毛巾浸吸肥皂水遮掩口鼻，堅持戰(zhàn)斗。同時，命黃維綱師長派出有力部隊進出仁和集、雙柳樹、桃林、春和集，對敵實施襲擾，以牽制攻城之敵。

16日午后，日軍第十師集中幾乎所有野炮和重炮，向潢川城發(fā)動幾天來最為猛烈的轟擊，毒氣彈施放也增加數(shù)倍。炮擊過后，以步兵發(fā)起沖鋒，但都被我軍擊退。到17日中午，城北、城西兩角均被敵炮摧毀，日軍步兵蜂擁沖入城內(nèi)。張自忠下令士兵上起刺刀，與敵展開街巷肉搏戰(zhàn)，殺得昏天黑地，異常慘烈。

戰(zhàn)斗最危急的時刻，一個營長企圖逃跑，為部下發(fā)現(xiàn)，當即扭送軍部。張自忠勃然大怒，命軍法處立即將其處決。軍法處執(zhí)行后回報，張自忠仍怒氣難平，恨恨地道：“我?guī)П嗄辏钔春?、最瞧不起的就是貪生怕死，臨陣脫逃。我的隊伍里出了這種東西，太丟人了，槍斃他太便宜了?！?/p>

面對日軍攻入城的險惡局面，張自忠一面組織敢死隊發(fā)起進攻，將日軍突破口堵住，切斷日軍突入城中，將城內(nèi)外日軍分割成二，一面指揮官兵對沖入城內(nèi)的日軍全力殲滅，一番激戰(zhàn)，終于將城外日軍堵住，沖入城內(nèi)的日軍被我全殲。

小小的潢川城經(jīng)過連日戰(zhàn)火紛飛，已然幾乎全毀，墻倒屋坍，煙火余燼，橫尸累累，血跡斑斑，早已無復昔日車水馬龍，人來熙往的景象，給人的只有凄涼。

軍部指揮電臺也被敵炮摧毀，使得與戰(zhàn)區(qū)聯(lián)絡中斷達兩天之久。

18日，潢川西北之日軍，從息縣分兵攻擊羅山縣城，切斷了五十九軍向西的退路。而此時五十九軍已堅守潢川12晝夜，完成阻擊日軍至18日的任務。

19日凌晨，張自忠下令部隊趁夜向南撤退，擬轉(zhuǎn)至潢川西南光山以南山區(qū)占領陣地，繼續(xù)阻敵南犯。

為此，他冒著危險，親率手槍營和獨立二十六旅七一五團，在潢川城十八里鋪以南占領陣地，掩護全軍撤退。

日軍一部跟蹤追擊，張自忠指揮部隊向敵猛擊。經(jīng)三小時戰(zhàn)斗，敵抵抗不住，向羅山敗退。我軍趁機擺脫敵人，安全撤退。

三十九旅撤出潢川城時，四門都已被日軍堵住，安克敏旅長命令戰(zhàn)士挖開城墻突圍而出，大出敵人意料之外，竟然來不及堵截，任獨立三十九旅安然脫圍而出。

潢川戰(zhàn)役，五十九軍在沒有任何援助的情況下，孤軍奮戰(zhàn)，阻擊日軍12天，為后方友軍的集結(jié)爭取了寶貴時間。

這次戰(zhàn)斗，五十九軍殲滅日軍第十師約3000人，自身傷亡達4000人，其中四位營長陣亡。在臨沂作戰(zhàn)元氣大傷之后，五十九軍能取得如此戰(zhàn)果，令許多友軍瞠目咋舌，也使日軍驚懼不已。日軍第二集團軍廣播承認：“皇軍在潢川方面曾遭遇華軍極強烈之抵抗，致蒙受巨大之損失。”

9月19日，剛剛回任的李宗仁致電蔣介石，呈請對張自忠予以嘉獎：

“張軍團長奉令防守潢川，與敵激戰(zhàn)五晝夜，其在潢川城的部隊，被優(yōu)勢之敵包圍，受毒氣之攻擊，猶能艱苦奮斗，不求增援，巧日始因傷亡過重，退出該城。該軍團長尚能遵守命令，克盡厥職，殊堪佩慰，擬請鈞座予以嘉獎。該軍所缺兵額武器，并請準其提前補充，以資鼓勵?！?/p>

9月20日，軍政部次長林蔚在電文上批示：“如擬照準，交何總長、徐部長辦理?！睜柡蟪适Y介石閱，蔣批示；“如擬?！?/p>

9月22日，蔣介石從武漢給麻城的孫連仲、馮治安和立煌（今安徽金寨縣）的于學忠發(fā)出特急電報，通報潢川激戰(zhàn)情形，大大地將張自忠贊揚了一番：

“潢川之役，張自忠部擔任守備，自銑日（16日）以還，敵以炮火、毒氣全線開始猛攻，該部攻守兼施，自軍團長以次，莫不身先鋒鏑，抱必死之決心，敵乘炮擊之效果沖入城內(nèi)，巷戰(zhàn)肉搏，迭行逆襲，一再擊退，倭尸累積，流水盡赤。我雖傷亡亦重，然卒達成守至巧（18日）日之任務，良足矜式。該部師長劉振三，中毒2次，猶不稍卻，尤堪嘉尚。該總司令、軍團長等與藎忱或系久同袍澤，或則夙共疆場，聞雞起舞，當與媲美，思齊之念，豈甘讓著先鞭？務須嚴整紀律，振作精神，并須彼此切實聯(lián)系，團結(jié)互助，協(xié)同動作，共滅敵寇?！?/p>

孫連仲、馮治安、于學忠與張自忠一樣，均非蔣之嫡系部隊將領，且在同一戰(zhàn)區(qū)，孫、馮與張同是西北軍，與張的地位差不多，蔣的這封電報，用意很明顯，意在激將。