日军连日进攻不能奏效，并且遭到惨重伤亡，难以前进一步。这对于日军第十师来说，可以说是自台儿庄战役以来遭遇到的又一次严重挫折、筱塚、濑川、冈田都气得哇哇怪叫，他们都一致喊道：“张自忠、五十九军这块骨头咋这么难啃！？”再拼下去，说不定第十师会又一次丧失战斗能力，筱塚有可能重蹈他的前任矶谷的下场。

恼羞成怒的筱塚，便不顾国际公约禁止使用化学武器的协定，竟惨无人道地大量施放毒瓦斯弹，导致我官兵大量伤亡。

16日清晨，七里岗阵地失守，日军开始攻击潢川城，战况急剧恶化。

紧急关头，张自忠拒绝幕僚的极力劝阻，带领刘振三师长和军指挥部毅然进入潢川城督战，士气大增。

日军以密集炮火猛烈轰击潢川城，并以飞机向城内投掷毒气弹。全城伤亡不断增加。刘振三师长两次中毒昏迷。

张自忠命军需处迅速给守城官兵，每人发日光皂两块，白毛巾一条，以毛巾浸吸肥皂水遮掩口鼻，坚持战斗。同时，命黄维纲师长派出有力部队进出仁和集、双柳树、桃林、春和集，对敌实施袭扰，以牵制攻城之敌。

16日午后，日军第十师集中几乎所有野炮和重炮，向潢川城发动几天来最为猛烈的轰击，毒气弹施放也增加数倍。炮击过后，以步兵发起冲锋，但都被我军击退。到17日中午，城北、城西两角均被敌炮摧毁，日军步兵蜂拥冲入城内。张自忠下令士兵上起刺刀，与敌展开街巷肉搏战，杀得昏天黑地，异常惨烈。

战斗最危急的时刻，一个营长企图逃跑，为部下发现，当即扭送军部。张自忠勃然大怒，命军法处立即将其处决。军法处执行后回报，张自忠仍怒气难平，恨恨地道：“我带兵多年，最痛恨、最瞧不起的就是贪生怕死，临阵脱逃。我的队伍里出了这种东西，太丢人了，枪毙他太便宜了。”

面对日军攻入城的险恶局面，张自忠一面组织敢死队发起进攻，将日军突破口堵住，切断日军突入城中，将城内外日军分割成二，一面指挥官兵对冲入城内的日军全力歼灭，一番激战，终于将城外日军堵住，冲入城内的日军被我全歼。

小小的潢川城经过连日战火纷飞，已然几乎全毁，墙倒屋坍，烟火余烬，横尸累累，血迹斑斑，早已无复昔日车水马龙，人来熙往的景象，给人的只有凄凉。

军部指挥电台也被敌炮摧毁，使得与战区联络中断达两天之久。

18日，潢川西北之日军，从息县分兵攻击罗山县城，切断了五十九军向西的退路。而此时五十九军已坚守潢川12昼夜，完成阻击日军至18日的任务。

19日凌晨，张自忠下令部队趁夜向南撤退，拟转至潢川西南光山以南山区占领阵地，继续阻敌南犯。

为此，他冒着危险，亲率手枪营和独立二十六旅七一五团，在潢川城十八里铺以南占领阵地，掩护全军撤退。

日军一部跟踪追击，张自忠指挥部队向敌猛击。经三小时战斗，敌抵抗不住，向罗山败退。我军趁机摆脱敌人，安全撤退。

三十九旅撤出潢川城时，四门都已被日军堵住，安克敏旅长命令战士挖开城墙突围而出，大出敌人意料之外，竟然来不及堵截，任独立三十九旅安然脱围而出。

潢川战役，五十九军在没有任何援助的情况下，孤军奋战，阻击日军12天，为后方友军的集结争取了宝贵时间。

这次战斗，五十九军歼灭日军第十师约3000人，自身伤亡达4000人，其中四位营长阵亡。在临沂作战元气大伤之后，五十九军能取得如此战果，令许多友军瞠目咋舌，也使日军惊惧不已。日军第二集团军广播承认：“皇军在潢川方面曾遭遇华军极强烈之抵抗，致蒙受巨大之损失。”

9月19日，刚刚回任的李宗仁致电蒋介石，呈请对张自忠予以嘉奖：

“张军团长奉令防守潢川，与敌激战五昼夜，其在潢川城的部队，被优势之敌包围，受毒气之攻击，犹能艰苦奋斗，不求增援，巧日始因伤亡过重，退出该城。该军团长尚能遵守命令，克尽厥职，殊堪佩慰，拟请钧座予以嘉奖。该军所缺兵额武器，并请准其提前补充，以资鼓励。”

9月20日，军政部次长林蔚在电文上批示：“如拟照准，交何总长、徐部长办理。”尔后呈蒋介石阅，蒋批示；“如拟。”

9月22日，蒋介石从武汉给麻城的孙连仲、冯治安和立煌（今安徽金寨县）的于学忠发出特急电报，通报潢川激战情形，大大地将张自忠赞扬了一番：

“潢川之役，张自忠部担任守备，自铣日（16日）以还，敌以炮火、毒气全线开始猛攻，该部攻守兼施，自军团长以次，莫不身先锋镝，抱必死之决心，敌乘炮击之效果冲入城内，巷战肉搏，迭行逆袭，一再击退，倭尸累积，流水尽赤。我虽伤亡亦重，然卒达成守至巧（18日）日之任务，良足矜式。该部师长刘振三，中毒2次，犹不稍却，尤堪嘉尚。该总司令、军团长等与荩忱或系久同袍泽，或则夙共疆场，闻鸡起舞，当与媲美，思齐之念，岂甘让着先鞭？务须严整纪律，振作精神，并须彼此切实联系，团结互助，协同动作，共灭敌寇。……”

孙连仲、冯治安、于学忠与张自忠一样，均非蒋之嫡系部队将领，且在同一战区，孙、冯与张同是西北军，与张的地位差不多，蒋的这封电报，用意很明显，意在激将。