16日午後，日軍第10師團集中所有野戰重炮，向潢川城發起了幾天來最猛烈的攻擊，毒氣彈的施放也增加了數倍。
攻上來，打下去，往複拚殺至17日中午，城北、城西角均被敵炮摧毀，日軍步兵蜂擁入城，潢川岌岌可危。張自忠命士兵架起刺刀，與敵展開肉搏戰。震耳欲聾的炮聲消失了，代之而來的是手榴彈的爆炸聲和撕心裂肺的喊殺聲。
日軍還在不斷湧入城內，戰局萬分險惡。情急之下，張自忠下令組織敢死隊，發起反衝擊，死命鎖住日軍突破口。城內日軍成了甕中之鱉，一個個、一夥夥地被守軍吃掉。18日，潢川西北之日軍，從息縣分兵攻擊羅山縣城，切斷了59軍向西的退路。而此時59軍已在潢川一帶堅守了12個晝夜，完成了戰區賦予的阻擊日軍至18日的任務。19日淩晨，張自忠下令，趁夜暗向潢川西南方突圍。天明時分，日軍再攻潢川城，才發現對手已經無影無蹤。
潢川戰役，59軍孤軍苦戰12晝夜，為後方友軍的集結爭取了寶貴的時間。該役，59軍殲敵3000人，自身傷亡4000餘人，其中4位營長陣亡。日軍第2集團軍廣播承認：“皇軍在潢川方麵遭到支那軍隊極強烈之抵抗，致蒙受巨大之損失。”
10月12日，李宗仁電告張自忠，他已升任第33集團軍總司令，馮治安副之，張克俠為參謀長。
10月中旬，武漢南北屏障大部失守，各路日軍已逼近武漢。與此同時，日軍開始向廣州發起進攻。蔣介石認為戰局可能南移，遂決心結束武漢會戰。
10月17日，張自忠出席第5戰區高級將領會議，會議決定戰區主力向平漢路以西轉移，確保鄂西。鑒於日軍的猛烈攻擊對戰區翼側造成很大威脅，李宗仁命張自忠第33集團軍殿後擔任掩護。
這樣，繼徐州突圍之後，張自忠又一次擔起了殿後的重任。在成功地掩護了戰區主力西撤之後，33集團軍於11月中旬到達鄂北鍾祥、荊門地區。
11月13日，張自忠又被任命為第5戰區右翼兵團(又稱右集團軍)總司令，下轄第33集團軍、王瓚緒之第29集團軍、劉汝明之第28軍團、郭仟之江防軍及蕭之楚第26軍等部，總兵力達15萬餘人。
張自忠深感責任太大，致電李宗仁請辭說：“職自知任重才輕，萬難勝任。”但李主意已定，張之固辭未能獲準，隻好於18日由鍾祥赴荊門就職。從此，張自忠成為一方麵的統帥。
1937年12月，張自忠背著“撤職查辦”的處分重歸軍旅，戴罪立功，然而，時隔不到一年，不僅處分撤銷了，而且連獲晉升，由軍長而為軍團長，由軍團長而為集團軍總司令，由集團軍總司令而為戰區右翼兵團總司令，擢升之快，令人稱奇。這一方麵是因戰爭急需人才，另一方麵則是張本人屢建戰功。但張自忠並未因此而有絲毫居功自傲和沾沾自喜的情緒，他所感受的隻是職務提高了，責任更重了，必須加倍勤勉，奮發努力，才能勝任工作。
3.惡戰1939年冬季
張自忠剛剛進駐鄂北，日軍便頻頻前來進犯。從1938年11月到1939年4月初，短短4個月裏，張自忠指揮所部接連進行了4次中小規模的戰役，殲敵不下4000人。其中2月的京山之役戰績尤佳。蔣介石特致電張自忠說：“貴部堅強抗戰，屢挫凶鋒，使戰線穩定，居功甚偉。特賞洋2萬元，代備死傷官兵撫慰等臨時補充之用。”國民政府主席林森簽發命令，授予張自忠寶鼎勳章一枚。1939年5月2日，國民政府又頒布命令，為張自忠加授上將軍銜。
1939年5月，中日兩軍在鄂北地區展開了第一次大交鋒——隨棗會戰。日軍華中派遣軍調集4個師團、2個旅團及坦克、炮兵、工兵等特種部隊約12萬人，向襄河東岸隨縣、棗陽地區進攻，企圖將第五戰區主力包圍殲滅於棗陽東北地區。張自忠剛剛在臨沂戰役中與老熟人阪垣征四郎進行了較量，這次又要與平津時期結識的另一個老熟人岡村寧茨比試身手，這是一個比阪垣更為強勁的對手。此時岡村的職務是侵華日軍最精銳的第11軍司令官，也是這次戰役的最高指揮官，他的戰術是“分進合擊，錐形突貫，兩翼包圍”。
這時，張自忠的右翼兵團隻轄第29、33兩個非嫡係集團軍，因戰鬥消耗和編製壓縮，總兵力不足4萬人。而右翼兵團當麵之敵達3.5萬人，若以武器裝備因素，則日軍整體力量居明顯優勢。
5月1日拂曉，日軍在強大火力支援下，向襄河以東張自忠右翼兵團180師和37師發起猛烈進攻。隨棗會戰開始了。
守軍憑借工事頑強抗擊，以血肉之軀支撐著並不堅固的防線，連續打退敵人3次進攻。戰至6日，日軍發起第四次進攻，陣地終於被突破，獅子山、楊家崗、長壽店、普門衝、黃起庵相繼失守。180師師長劉振三被日軍隔阻於馬家集以西，與師主力失去聯絡。37師師長吉星文也脫離部隊，不知去向。這樣一來，33集團軍在河東的兩個師，均被敵人衝亂。日軍乘勝推進，8日攻占棗陽，戰局極為不利。張自忠決心東渡襄河，親赴第一線督戰，全力扭轉危局。