對於如何鞏固河防，有兩種意見：一種意見認為180師沒能趕到方家集，接應計劃落空，我兵力單薄，應及時帶領74師和騎9師回到西岸，沿河把守；另一種意見認為，應留在河東，堅持外線積極防禦。理由是：河東戰事正烈，我三個主力師尚在與敵鏖戰，此時總部撤回河西，將會產生怎樣的影響？此其一。其二，若回師西岸，沿河消極防守，兵力還是不夠。其三，留在河東與敵周旋就是最好的防守，隻要我們堅持河東，敵軍就不敢輕易渡河；倘若渡河，我可趁機截其後路，反對我有利。
張自忠權衡利弊，毅然決定留在河東，與敵周旋。
15日下午4時許，張自忠率部到達南瓜店以北的小山村溝沿裏。
到達溝沿裏，張自忠命馬貫一率74師443團、444團在南瓜店以東占領陣地，向東及東南警戒，並以一部占領兩乳山東西一線，維護南瓜店至宜城間交通；440團占領毛家灣左右一線，對西北警戒。部署完畢，張自忠即給蔣介石發電，這是他生前發往重慶的最後一封電報：
一、職昨率74師、騎9師及總部特務營與南竄之敵約5000餘名血戰竟日，創敵甚重，晚間敵我相互夜襲，複激戰終夜……我各部繼續六七次之血戰，犧牲均亟重大，但士氣仍頗旺盛，現仍在方家集附近激戰中。二、我38師、179師昨已將新街敵數百名擊潰，當將新街克複，現仍繼續向南追擊中。三、據報，殘敵一部約千餘人因被我各處截擊，現企圖沿襄河東岸南竄，現38師、179師努力截擊中。謹聞。職張自忠叩。
馬貫一到達南瓜店後，曾同440團團長鄭萬良會麵。鄭說：“看情況我們要吃包子了！”馬說：“你怎麼不趕快向總司令報告呀？”鄭伸伸舌頭：“誰敢跟他說呀！”
其實，張自忠對此已有判斷，隻是未動聲色而已。他察覺到大家的緊張心情，就把總部人員、手槍營和七十四師主要幹部集合起來，對大家說：“我們已陷入敵人的重圍，情況是相當吃緊了，不過隻要不離開隊伍，總有辦法。大家無論如何，務必鎮定，不要緊的，我張自忠始終和大家在一起，在任何情況下，也決不離開隊伍！”接著，又傳令：“今後凡夜間行軍，打手電的、吸煙的，槍斃！不守秩序的、吵鬧的，槍斃！落了隊的，不要！不許談話，不許咳嗽！”
此時，張自忠手中可戰之兵僅1500餘人，而包圍之日軍則有五六千人，局勢之險峻可想而知。傍晚，他致電黃維綱師長，令他率38師由新街前來解圍。鑒於38師距離較遠，且為當麵之敵所糾纏，能否及時趕到沒有把握，張自忠又致電樊城之第11集團軍總司令黃琪翔請援，但未見答複。
夜裏，張自忠住宿於一個叫餘大保的農戶家。由於連日來缺乏飲食，多以農田裏的蠶豆充饑，他的舊病痢疾複發，腹瀉不止，加之睡眠不足，勞累困乏，他消瘦了很多。然而，就在處境險惡、身體不適的情況下，他仍把百姓的疾苦記在心上。到幾戶人家走了走，看到村民一貧如洗，當即叫副官給全村每戶發10塊現洋。
5月16日，戰鬥首先從西邊毛家灣旁的小山子開始。此地距溝沿裏不過1000米，中間隻隔兩個小山包。守在這一線的是440團。
張自忠剛剛睡下就被驚醒，立刻起身帶領李文田參謀長、張敬高參、蘇聯顧問和幾個隨從副官到溝沿裏後山上觀察。日軍很快攻占了兩個小山包。張自忠命440團預備隊增援上去，奪回第二個山包。日軍又幾次衝鋒，均被擊退。戰至日出時，440團第一道防線終於被突破，日軍攻占溝沿裏西北製高點牛肋巴骨山，居高發炮，溝沿裏直接暴露在敵火網之下。與此同時，東線之敵攻克兩乳山，以重炮向我前沿陣地轟擊。張自忠遂將總部東移至杏仁山旁的陳家灣。
從5月3日以後，張自忠與外界聯絡之有線電報、有線電話均告中斷，隻有全部依賴無線電通信。日軍第11軍通信部隊根據我方電台以不同頻率向各方發報的情況，判斷張自忠總部就在溝沿裏附近，並於16日上午9時將這一情報通知日軍第39師團長村上啟作。村上頓時緊張起來，急忙調集五六千人和大批飛機、火炮，向溝沿裏合圍。
上午10時許，日軍步兵猛攻溝沿裏，440團退守石龍崗，隔山溝與敵相持。東麵，從方家集越過十裏長山之敵，與進入罐子口之敵相呼應，從東西兩麵夾攻我74師羅家窄屋陣地。日軍攻勢一浪高過一浪，敵我往返衝殺，陣地失而複得四次，戰況異常慘烈。