8月，10旅參加了朱德、彭德懷指揮的“百團大戰”，擔任129師右翼隊。大戰揭幕的當晚，正太路100多公裏炮聲隆隆，至深夜東邊的陽泉、娘子關，西邊的壽陽、榆次，捷報頻傳。隻有中段的桑掌橋敵我仍處於相持狀態。淩晨3點，範子俠來到前沿陣地，經過細心觀察，他心生一計，便令一排戰士穿上日軍軍裝，打著日本旗，很快接近了敵人的碉堡，在距離敵軍隻有幾十米處，範子俠命令把機關炮支在一棵大樹下，然後發令：“炮兵——正前方——瞄準——放！”炮彈炸坍了碉堡，部隊很快奪取了桑掌橋。
10月已是百團大戰的第二階段。有一天，範子俠率領一個半團的兵力，在榆遼公路寒王鎮到弓家嶺一帶打了一場痛快的伏擊戰，焚毀日軍運輸汽車36輛。10天後，10旅參加了關家墒殲滅戰，奮戰兩天兩夜，消滅日軍岡崎大隊400餘人。範子俠的手腕在激戰中被子彈打穿。他後來回憶說：“反掃蕩中，我負了傷，槍彈穿透了手背。這是光榮的紀念標誌。傷疤還殘存著，看看我的傷疤，感到無限的安慰和興奮，算是為祖國流了一點血。”
範子俠有一手好槍法，每逢作戰，他手執雙槍，彈無虛發，敵人聞風喪膽。1941年冬，範子俠率部攻打梅花村敵人據點。據點高且堅固，牆外有一丈多深的水溝，部隊兩次衝鋒都沒有拿下據點。戰地宣傳員進行政治攻勢，喊話多次，敵人都不回話。範子俠得知據點裏為首者是個姓高的偽軍班長，於是高聲喊道：“在炮樓上的是高班長嗎？我是範子俠，希望你認清形勢，放下武器，改邪歸正吧！”偽軍們一聽是範子俠的聲音，便放下吊橋繳械投降了。
1941年7月，範子俠作為抗日軍人代表被選為參議員，參加了晉冀豫邊區臨時參議會。在接受《新華日報》（華北版）記者采訪時，他充滿感情地說：“我被本區抗日軍人推選為參議員，今天願追隨各位參議員先生之後，緊握著抗日民族統一戰線的光輝旗幟，誓死保衛邊區，保衛華北，保衛中華民族。為驅逐日寇，建立新民主主義的新中國而戰鬥到底！”
臨參會開幕這天，正是抗戰四周年的日子。範子俠夜不能寐，實在難以抑製內心的激動，他點起油燈，伏案寫下《興奮的回憶》一文。他寫道：
一年一度的“七·七”來到了，今年是第五個抗戰年度。四周年的戰鬥生活，回憶起來是頗有趣味而且令人興奮的。四年來，雖然經過許多滄桑變幻，結論隻有六個字：
“真理戰勝一切！”
四年來我們把拳頭磨練得更硬了。
我是中華民族的兒子，也是黨的兒子，沒有別的，永遠幹下去。
3光榮殉國
1942年2月，日軍糾集重兵，向我太行、太嶽抗日根據地瘋狂進攻，進行第二次所謂“駐晉日軍總進攻”。此時範子俠已任太行軍區六分區司令員，兼新10旅旅長。2月10日，他決定率部隊出征，有同誌建議他另派人去。他輕輕一笑說：“我是不能死在床上的，我要死在戰場上。要麼是被敵人打死，要麼是被漢奸打死。”當晚，10旅攻下營井敵據點。
翌日上午，日軍向冊井、魏家莊、柴關一帶進攻。10旅阻擊敵軍，激戰一天一夜。12日下午，日軍增援部隊騎兵大隊衝來，範子俠指揮部隊沉著應戰，他告訴戰士們朝敵騎馬腿和馬肚子射擊，將敵騎打退。突然一顆子彈打中他左肩下的大動脈，血流不止，包紮也止不住。戰士們把他抬進柴關村，大家焦急地圍攏過來，詢問司令員的傷情，範子俠吃力地睜開眼，微笑地看著戰士們說：“不要為我難過，得了這次教訓，我們應該好好整頓地方武裝。我們的地方武裝，還太差啊！”他感到身上有些冷，戰士們趕緊去找幹柴。可是，當大家抱著幹柴回來時，範子俠已經永遠閉上了眼睛，時年34歲。
範子俠犧牲後，八路軍總部、129師、晉冀魯豫邊區政府及各地群眾先後舉行了追悼大會。劉伯承、鄧小平撰文稱讚他是“模範的布爾什維克、最忠實於中華民族解放事業的戰士”。