日軍連日進(jìn)攻不能奏效，并且遭到慘重傷亡，難以前進(jìn)一步。這對(duì)于日軍第十師來(lái)說，可以說是自臺(tái)兒莊戰(zhàn)役以來(lái)遭遇到的又一次嚴(yán)重挫折、筱塚、瀨川、岡田都?xì)獾猛弁酃纸?，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(huì)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(chǎng)。

惱羞成怒的筱塚，便不顧國(guó)際公約禁止使用化學(xué)武器的協(xié)定，竟慘無(wú)人道地大量施放毒瓦斯彈，導(dǎo)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(guān)頭，張自忠拒絕幕僚的極力勸阻，帶領(lǐng)劉振三師長(zhǎng)和軍指揮部毅然進(jìn)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(jī)向城內(nèi)投擲毒氣彈。全城傷亡不斷增加。劉振三師長(zhǎng)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(jiān)持戰(zhàn)斗。同時(shí)，命黃維綱師長(zhǎng)派出有力部隊(duì)進(jìn)出仁和集、雙柳樹、桃林、春和集，對(duì)敵實(shí)施襲擾，以牽制攻城之?dāng)场?/p>

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(dòng)幾天來(lái)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(shí)刻，一個(gè)營(yíng)長(zhǎng)企圖逃跑，為部下發(fā)現(xiàn)，當(dāng)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(bào)，張自忠仍怒氣難平，恨恨地道：“我?guī)П嗄?，最痛恨、最瞧不起的就是貪生怕死，臨陣脫逃。我的隊(duì)伍里出了這種東西，太丟人了，槍斃他太便宜了?！?/p>

面對(duì)日軍攻入城的險(xiǎn)惡局面，張自忠一面組織敢死隊(duì)發(fā)起進(jìn)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(duì)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(wú)復(fù)昔日車水馬龍，人來(lái)熙往的景象，給人的只有凄涼。

軍部指揮電臺(tái)也被敵炮摧毀，使得與戰(zhàn)區(qū)聯(lián)絡(luò)中斷達(dá)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(shí)五十九軍已堅(jiān)守潢川12晝夜，完成阻擊日軍至18日的任務(wù)。

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

為此，他冒著危險(xiǎn)，親率手槍營(yíng)和獨(dú)立二十六旅七一五團(tuán)，在潢川城十八里鋪以南占領(lǐng)陣地，掩護(hù)全軍撤退。

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

三十九旅撤出潢川城時(shí)，四門都已被日軍堵住，安克敏旅長(zhǎng)命令戰(zhàn)士挖開城墻突圍而出，大出敵人意料之外，竟然來(lái)不及堵截，任獨(dú)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(zhēng)取了寶貴時(shí)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(dá)4000人，其中四位營(yíng)長(zhǎng)陣亡。在臨沂作戰(zhàn)元?dú)獯髠螅迨跑娔苋〉萌绱藨?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(tuán)軍廣播承認(rèn)：“皇軍在潢川方面曾遭遇華軍極強(qiáng)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(qǐng)對(duì)張自忠予以嘉獎(jiǎng)：

“張軍團(tuán)長(zhǎng)奉令防守潢川，與敵激戰(zhàn)五晝夜，其在潢川城的部隊(duì)，被優(yōu)勢(shì)之?dāng)嘲鼑芏練庵簦q能艱苦奮斗，不求增援，巧日始因傷亡過重，退出該城。該軍團(tuán)長(zhǎng)尚能遵守命令，克盡厥職，殊堪佩慰，擬請(qǐng)鈞座予以嘉獎(jiǎng)。該軍所缺兵額武器，并請(qǐng)準(zhǔn)其提前補(bǔ)充，以資鼓勵(lì)。”

9月20日，軍政部次長(zhǎng)林蔚在電文上批示：“如擬照準(zhǔn)，交何總長(zhǎng)、徐部長(zhǎng)辦理?！睜柡蟪适Y介石閱，蔣批示；“如擬。”

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(xué)忠發(fā)出特急電報(bào)，通報(bào)潢川激戰(zhàn)情形，大大地將張自忠贊揚(yáng)了一番：

“潢川之役，張自忠部擔(dān)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(tuán)長(zhǎng)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(dá)成守至巧（18日）日之任務(wù)，良足矜式。該部師長(zhǎng)劉振三，中毒2次，猶不稍卻，尤堪嘉尚。該總司令、軍團(tuán)長(zhǎng)等與藎忱或系久同袍澤，或則夙共疆場(chǎng)，聞雞起舞，當(dāng)與媲美，思齊之念，豈甘讓著先鞭？務(wù)須嚴(yán)整紀(jì)律，振作精神，并須彼此切實(shí)聯(lián)系，團(tuán)結(jié)互助，協(xié)同動(dòng)作，共滅敵寇?！?/p>

孫連仲、馮治安、于學(xué)忠與張自忠一樣，均非蔣之嫡系部隊(duì)將領(lǐng)，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(bào)，用意很明顯，意在激將。