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15日，张自忠率领的千余部队被日军五千多人包围，敌我力量极其悬殊，战斗异常惨烈。战至下午，将军身边士兵大部阵亡，他本人也被炮弹炸伤右腿。第二天，日军在飞机大炮的掩护下，向中队的阵地发起强攻，张将军亲临一线督战，直到下午被日军突破防守，血战而亡。据日后部下回忆说：张将军勇敢地与敌人拼杀，高呼口号鼓励战士杀敌：“我生国死，我死国存！”气势惊天地、泣鬼神，让部下热血沸腾。
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。”
张自忠殉国当日，其部下38师师长黄维刚亲帅敢死队，端着机枪于夜间突袭南瓜店，几进几出终于抢回了张将军的遗体。随后，被运往重庆安葬。
将军灵柩路经宜昌，十万军民恭送灵柩至江岸，自发祭奠。据说当时日机多次飞临宜昌，但祭奠的群众却无一人躲避，无一人逃散。
当灵柩到达重庆朝天门码头，蒋介石、冯玉祥等政府军政要员臂缀黑纱，亲自迎灵，登轮绕棺致哀。蒋介石在船上“抚棺大恸”，令人动容。接着亲自扶灵执绋，拾级而上，护送灵柩穿越重庆全城。
国民政府发布国葬令，颁发“荣字第一号”荣哀状。将张自忠牌位入祀忠烈祠，并列首位。接着，又为张将军举行了隆重的祭奠仪式，蒋介石亲自主祭，随后，在重庆雨台山为张将军举行下葬仪式。
蒋介石题词“勋烈常昭”；李宗仁题词“英风不泯”；冯玉祥题词“荩忱不死”。
中央对于张自忠将军的牺牲也深为震惊和痛惜。延安各界举行了隆重的追悼大会，、朱德、周恩来分别为张自忠将军题写了‘尽忠报国’、‘取义成仁’、‘为国捐躯’的挽词。周恩来先生亲自撰文称赞张自忠“其忠义之志，壮烈之气，直可以为中国抗战军人之魂”。
病重的夫人李敏慧女士在张将军殉国两个多月后，才获得这一噩耗的。她沉痛地说：“张自忠为国家战死疆场，我不难过。我虽然是一个妇女，也应当有份。”不食不饮，直至逝世。之后，夫妻二人合葬于重庆雨台山。冯玉祥将军在张将军墓园种植梅花，题词作梅花山。
一位苏联顾问曾经说过：有十个张自忠，中国的土地不会沦陷一寸！
“将军遂亡，英灵永在。他将激励我等勇猛向前，共赴国难，驱日寇出中原。”王栋在纪念文中写到。
受总司令委托，王保全副总司令政治会议副主席亲往吊唁祭奠。
陪着琼斯和女儿思华玩了两天，其间与威廉等人深刻交流一番，提出了自己的一些建议和设想，让威廉深受启发大加称赞，表示一定按照王栋建议进行筹划。
其中，王栋的观点认为：现在为战争时期，恐怕还要持续几年时间的经济和贸易低迷，因此建议适度发展客运航空业务，重点应该转向货物运输，以及军用大中型运输机的研发上面来，力争在年内，生产较多的中型运输机，并迅速研发载货量更大的运输飞机。
至于发动机选择和配置上，王栋也提出了自己的看法和建议，让威廉等人回去与相关专家讨论实施。
另外，王栋还提出，大量招收飞行人员，同时培训空乘人员，为以后大发展奠定基础。
一封紧急电报，打断了王栋和众人的密切会晤，无奈之下只好与众位亲人、友人告别。