南京淪陷後，由於戰況危急，經馮玉祥、李宗仁等將軍的力薦，軍事委員會終於取消對張自忠的處分。此時三十八師已擴編為五十九軍，軍政部乃命他回原部隊任代理軍長。張自忠對部下說：“我這次回來，是準備為國家而死的。”他說：“別的部隊可以敗，我的部隊卻不能敗，我隻有一拚與死，拿真實的戰績，才能洗白幹淨我的冤曲。”
此時的五十九軍劃歸第五戰區指揮，張自忠率軍堅守陣地，馳援臨沂，在徐州會戰和武漢會戰中與敵鏖戰，屢立戰功。其後張自忠轉戰豫南鄂北，被任命為第三十三集團軍總司令兼五十九軍軍長。正是他“一戰淝水，再戰臨沂，三戰徐州”的英勇抗戰，方掃除了民眾過去對他的誤解。
為國捐軀
1940年，抗戰已進入第四個年頭，在中國抗日軍民的英勇抗擊下，日軍速戰速決的企圖已告破滅。這年4月，在中國軍隊冬季攻勢的打擊下，日軍大本營為確保武漢地區安全並進而窺犯西南，特別抽調駐贛北的第四十四師團和駐湘北的第六師團之一部，與原湖北境內的第三、十三、三十九等師團會合，在第十一軍司令長官圓部和一郎的指揮下，以南陽、襄樊、棗陽為目標，采取分進合擊的戰術，兩翼包抄中國軍隊，企圖將其圍殲於南陽以南、襄陽以東地區。
這時任第五戰區右翼集團總司令和第三十三集團軍總司令於一身的張自忠將軍遵照大本營“先發製敵”的作戰指示，親自率領所部於襄河以西的鍾祥、京山之間布防，截斷日軍退路，完成合圍包抄之態勢。
5月1日，日軍主力集中於信陽、隨縣、鍾祥三地分路進攻，其左翼以第十三師團配備戰車二十餘輛、飛機四十餘架，由鍾祥北進，首先向三十三集團軍陣地發起攻擊。此時張自忠並不急於應戰，而是等到敵軍主力通過大半，方令部隊奮起攔腰痛擊，利用地形與敵激戰，血戰五晝夜，戰況極為慘烈。
當戰鬥剛剛打響的時候，張自忠將軍就深知日軍此次進犯，必有一番惡戰，因而已抱必死的信念。他在給所屬各師、團長的信中激勵大家說：
看最近之情況，敵人或要再來碰一下釘子，隻要敵來犯，兄即到河東與弟等共同去犧牲。國家到了如此地步，除我等為其死，毫無其他辦法。相信隻要我等能本此決心，我們的國家及我五千年曆史之民族，決不至亡於區區三島倭奴之手。為國家民族死之決心，海不清，石不爛，決不半點改變。願與諸弟共勉之。
由於張自忠所部英勇抗擊，打亂了日軍的作戰部署，然而這也增加了三十三集團軍正麵的壓力。5月7日，襄河以東戰況危急，且總部與三十八師、一七九師失去聯絡，情況極為不利。張自忠為了截擊日軍進犯，命令主力部隊堅守陣地，決定自己親率七十四師一部由宜城渡過襄河。他在渡河前給三十三集團軍副總司令馮治安留下了一封信，實際上就是他的遺書：
因為戰區全麵戰爭之關係及本身之責任，均須過河與敵一拚，現已決定於今晚往襄河東岸進發。到河東後，如能與38D、179D取得聯絡，即率該兩部與馬師不顧一切，向北進之敵死拚。設若與179D、38D取不上聯絡，即帶馬之三個團，奔著我們最終之目標（死）往北邁進。無論作好作壞，一定求得良心得到安慰。以後公私均得請我弟負責，由現在起，以後或暫別、或永離，不得而知。
張自忠將軍率部渡河後立即投入戰鬥，並在形勢極為不利的情況下，行師南下，截擊向東南大洪山區退卻之敵。5月15日，張自忠在電報中向蔣介石報告了戰況，這也是他發出的最後一份電報：職昨率七十四師、騎九師及總部特務營，親與南竄之敵約五千餘名血戰竟日，創敵甚重。晚間，敵我相互夜襲，複激戰終夜。今晨敵因敗羞憤，並因我追擊，不得南竄，並調集飛機卅餘架，炮廿餘門，向我更番轟擊，以圖泄憤，並奪路南竄。我各部經繼續六七次之血戰，犧牲均極重大，但士氣仍頗旺盛，現仍在方家集附近激戰中。16日，日軍調集大批增援部隊，並配備飛機、戰車輪番向南瓜店陣地進攻。這個時候張自忠身邊隻剩下總部特務營少數兵力，而且裝備也都是些輕武器。此時在敵軍炮火的密集轟炸下，陣地已成一片火海，然而張自忠臨危不懼，身先士卒，指揮部隊英勇還擊。到了中午時分，張自忠左肩中彈，血流不止，據他的衛士穀瑞雪負傷歸隊後報告，當時部下都懇求他撤出陣地，包紮傷口，但張自忠卻怒目斥責道：“此吾成仁日也，有死無回！”一麵仍神色自若，指揮作戰。到了下午2時左右，戰況更加慘烈，這時張自忠胸部、頭部又負重傷，他欲拔槍自殺，手槍被隨從副官奪下，然而他終因身上多處中彈，流血過多，倒臥在陣地上。在張自忠彌留之際，他還囑托部屬說：“你們快走，不要管我，我自有辦法。”又說：“對國家、對民族、對長官，良心很平安。”在他生命的最後一刻仍用力高呼：“大家要殺敵報仇！”