董振堂牺牲后，敌人残忍地将他的头颅割下来，挂在高台县城东城楼上示众。
关于董振堂的牺牲，说法不一
《高台文史资料》第一辑《红五军血战高台前后》记载：“董振堂手握双枪，和他身边仅有的四个同志边打边冲到城东南角，两名同志不幸牺牲，董振堂同志也腿部中弹负伤。不得已，三人一起跳下城墙。董振堂同志又摔坏了腰。他们爬行了数十米，敌人前堵后追，一位同志又壮烈牺牲。这时，董振堂同志命令身边仅有的一位同志赶快突围，自己作掩护。这位同志坚持与他一起走，董振堂同志说：现在活一个同志就留一颗革命的种子，快撤。这位同志含泪离去。敌兵高叫着'捉活的'围了上来，董振堂同志将左手枪弹尽数射向敌人，右手持枪对准胸膛，壮烈殉职。”
《西路军魂》记载：董振堂中弹后“从城上跌下，又摔伤了腰。他爬起来半跪着，举起手枪向马家军射击。左手手枪子弹打完了，他右手拿起手枪，将最后一粒子弹，射进了自己的胸膛”。这一说法也是高台民间流传最广的关于董振堂牺牲的经过。高台民间都说董振堂是个双枪手、神枪手。
《西路军》记载，原马步青骑兵五师参谋处主任吴辑庠作了如下交代：董振堂将军率部突围，跳城而下，不幸摔断腿部，遂高呼共产党万岁，自己用手枪壮烈殉职。之后，马步青令马禄割下董振堂的人头，送到凉州，由河西医院院长张琪用酒精泡在大玻璃盒内，准备送往南京请功，但以后却没有送往南京，令特务团团长马阁麟制作了一个木匣子，埋在武威城墙下某处了。
《西望祁连》中记述：“有人说，董振堂是在城墙上指挥战斗，不幸中弹跌下城墙，遂让一名甘肃籍的警卫员帮他结束自己的生命。”
1937年1月21日《青海日报》的一则消息报道，马炳臣在给马步芳的电报中称：“伪军长董振堂确被我军斩毙，首级已获得，公认无误……”
马步芳所著的《剿匪概述》对董振堂牺牲的记述是：“击毙匪首董振堂……”
马家军占领高台后，敌前线总指挥马元海向马步芳发了急电：“高台匪全部消灭，匪军长董振堂和政委陈等阵亡。”马步芳据这份电报上报蒋介石、何应钦等。电报中未用“击毙”的字样而用“阵亡”这个中性词，颇耐人寻味。
综上所述，董振堂的牺牲有四种情况。一、中弹后跌下城墙牺牲。二、中弹后跳下城墙或突围中带伤双枪射击敌人时用最后一颗子弹自杀殉职。三、负重伤后让警卫帮他结束自己的生命。四、被敌人杀害。
