日军认为与他们纠缠的中国军队人数不多，但混战了一天一夜后，不但当面的中国军队依旧作战顽强，且夜间日军阵地还受到猛烈奇袭。日军这才知道，当面的中国军队非同小可。十五日天一亮，日军集中了更大的兵力，在三十多架战机的轰炸下，发动了更为凶狠的围攻。 前沿的数次肉搏结束后，日军终于决定撤出战斗，避开这群死战的中国官兵，从另外一个方向南下。发现当面日军绕道南下后，张自忠立即率部开始追击。被张自忠死缠不放的日军，是企图向南集结的第三十九师团。
日军已经知道决心与他们死战到底的中国军队将领是谁了。日军第三十九师团掉头转身，对张自忠部完成了战术包围。张自忠顿陷绝境。张自忠部兵力单薄，没有后援，无法构筑纵深阵地，狭窄的前沿后方就是总指挥部。日军第三十九师团师团长村上启作决定抓住这一难得的战机，集中了五千多兵力以及所有的火炮，向张自忠部的阵地发动了凶猛的合围。
为坚持到增援部队抵达，张自忠指挥少量部队死守阵地。残酷的战斗没有持续多久，阵地四周的小高地便相继失守。那些还活着的中国官兵知道总司令就在身后的小山包上，于是纷纷向总指挥部靠拢。而张自忠身处的小山包，在日军的攻击下已尸体遍布，张自忠左臂负伤仍立于山头督战。
日军的又一阵弹雨过后，张自忠胸部中弹，血流如注，他倒下了。日军向山顶蜂拥而来。之前，张自忠把他的卫队全部派往一线阵地，此时身边只剩了始终不肯离去的高参张敬。张敬用手枪射倒几名登上山包的日军，随即被后面冲上来的日军用刺刀刺倒。一颗子弹再次射入张自忠的腹部。一名日军士兵冲上来，用刺刀向张自忠刺去，张自忠突然挺立起来，试图抓住日军士兵的刀刃。另一名日军士兵的刺刀凶狠地刺入了他的身体。张自忠永远地倒下了。
日军士兵开始检查尸体，没有任何可以证明身份的东西。—名日军少佐上来仔细检查，终于发现了一支钢笔，钢笔上刻着“张自忠”三个字。张自忠，抗战中国阵亡的第一位集团军总司令。第三十八师和第一七九师官兵得知噩耗后，当夜不顾一切地向日军第三十九师团司令部后山发动袭击，为的是抢回张自忠的遗骸。 张自忠的遗骸被中国军民重新洗净，换上整洁的内衣和军装，军装上佩挂着上将领章和短剑，装入一副贵重的楠木棺材里。灵柩运抵宜昌后，民生轮船公司派专轮护送前往重庆，一路经过巴东、巫山、云阳、万县、忠县、涪陵等地，所经之处祭祀的供桌绵延数里，祈愿的香火缭绕不绝，中国百姓在长江岸边长跪不起。
五月二十八日，灵柩抵达重庆，蒋介石臂挽黑纱立于江边迎灵。此时轰炸重庆的日军战机飞临上空，防空警报长鸣，但重庆全城无人躲避，百姓们把盛满手擀面条的大碗高举过头顶，这是他们为张自忠做的一碗送其远行的北方饭。 中国共产党人在延安为张自忠召开了隆重的追悼大会。张自忠部的拼死作战，令日军决定暂缓攻击宜昌，即刻向中国军队实施反冲击。
日军第十三、第三十九师团再度北上，与摆脱了中国军队围攻的第三师团在枣阳附近会合，三路日军形成了一种相互连接的迎击态势。当日军秘密集结时，中国方面没有判断出日军的反击意图，各部队仍旧在向枣阳附近靠拢，以致交战两军迎头接近，前沿部队最远相距五公里，最近相距仅一公里。十九日，日军突然发动全面反击。
在四十多架战机和二百多辆坦克的配合下，日军的反击铺天盖地，当面的中国军队孙连仲部、汤恩伯部和郭忏部猝不及防，只有迅速脱离战场，向白河以西转移。出乎日军预料的还是中国军队的撤退速度，无论日军的反击有多么快速，始终赶不上中国军队的撤退速度。二十一日，日军第三师团追到老河口东北约六十公里的邓县，第十三师团追到老河口附近，第三十九师团追到老河口东南的樊城地区，但就是没能追上任何一支中国军队。
日军全面逼近老河口，李宗仁急令桂军莫树杰的第八十四军前来阻击。第八十四军之前几乎是溃不成军地撤退到这里，此时还是遵照李宗仁的指令在樊城外围以及白河岸边布置了防御线。日军追来了。追到白河岸边的是日军第三十九师团。或许是被战果冲昏了头，日军犯了个常识性的错误，于是灾难突然降临。
据日军文件记录：步兵第二三三联队于二十日黄昏派出三名将校，在白河下游侦察渡河点的地形，其中两人卧倒，从芦苇中用望远镜察看，另外一人因敌人打来的子弹不密，即以站立姿态展望，后者判断前岸为河中的沙洲，但在向上报告时却采用了前者的判断：就是对岸。 结果当二十一日零时左右升起渡河成功的蓝色信号弹时，在对岸业已做好瞄准准备的敌人一齐开始猛烈射击，联队在毫无隐蔽体的沙洲上不断出现伤亡，瞬间就牺牲了联队长神崎哲次郎大佐以下三百数十人。
在白河对岸阻击日军第二三三联队的中国军队，正是莫树杰的第八十四军。瞬间日军就被打死了三百多人，这在日本陆军的作战史上尚不多见。或许直到此时园部和一郎才意识到，他被中国军队在此纠缠得太久了，于是命令全线停止追击。从日军发动攻势始，已经连续作战二十多天，不但部队疲劳，且伤亡很大。
进退两难的日军第十一军的将领们，突然产生了一个很悲观的想法：此战到此为止，部队打道回府，不再进行攻击宜昌的第二阶段作战。在湖北应山的第十一军司令部里，就是否继续进行第二阶段作战发生了激烈争论。 园部和一郎的最后决定是：继续作战。为了支持第十一军的第二阶段作战，中国派遣军从第十三军的第二十二师团调来了辖三个步兵大队的松井支队和一个山炮大队。同时，第十一军还出动数百辆卡车，为前线部队运送了多达一千多吨的粮食和五百多吨其他军需品。