1940年5月16日一天之內，張自忠自晨至午，一直疾呼督戰，午時他左臂中彈仍堅持指揮作戰。到下午2時，張自忠手下只剩下數百官兵，他將自己的衛隊悉數調去前方增援，身邊只剩下高級參謀張敬和副官馬孝堂等8人。
不久，大群日兵已衝到面前。根據日方資料，日軍第四隊一等兵藤岡是第一個衝到近前的。突然，從血泊中站起來一個身材高大的軍官，他那威嚴的目光竟然使藤岡立即止步，驚愕地愣在那裡。沖在後面的第三中隊長堂野隨即開槍，子彈打中了那軍官的頭部，但他仍然沒有倒下!清醒過來的藤岡端起刺刀，拼盡全身力氣猛然刺去，那軍官的高大身軀終於轟然倒地。這時是1940年5月16日下午4時。
張自忠戰死後，日本人發現張將軍遺體，日軍對張自忠將軍表現了極大的崇敬，用上好木盛殮，並豎木牌。並全軍向他行禮，甚至在他的遺體運回後方之時，日軍收到消息便下令停止空軍的空襲一日，避免傷到張自忠的忠骸。可見，張自忠將軍在對日抗戰所展現軍人武德，連當時崇尚軍國主義的日軍都為之感動。
軍醫用酒精仔細清洗遺體，並包紮好傷口，鄭重裝殮，放進趕製的棺材裡。此棺被葬於一處山坡上，並立墓碑，上書：「支那大將張自忠之墓」
