当时,首当其冲的是布防于中央地区的第九军。郝梦龄任中央地区的总指挥,亲临第一线指挥作战。敌人志在必得,我军宁死不退,双方多次展开了白刃肉搏,近距离互掷手榴弹,真是杀声震天,血肉横飞,战况之惨烈,实为抗战中之罕见。敌我双方均损失惨重,阵地前布满了敌人的尸体。
12日,敌攻陷中央地区的锁钥部南怀化。敌我双方在忻口西北、南怀化东北的二零四高地上,展开了激烈的拉锯战。敌我双方死伤惨重。
当第三二二团战斗到只剩下一百多人的时候,郝将军又亲到该团阵地前对百余名官兵讲话:“先前我们一团人守这个阵地,现在剩一连人还是守这个阵地,就是剩下一个人,也要守这个阵地。将有必死之心,士无贪生之意。我们一天不死,抗日的责任一天就不算完,出发前,我已在家中写下遗嘱,不打败日军决不生还。现在我同你们一起坚守此阵地,决不先退。我若先退,你们不管是谁,都可以枪毙我;你们不管是谁,只要后退一步,我立即枪毙他!你们敢陪我在此坚守阵地吗?”官兵们以雷鸣般的声音回答:“誓死坚守阵地!”
次日晨5时,郝将军命令所部开始向南怀化、新陈庄出击。三二二团在前,晋军在后,限三小时攻下,后因为伤亡过重,两翼未动,还是停留在原阵地上。他在《阵中日记》中写道:“连日昼夜炮战甚烈,五日来,已伤团长一员,营长五员,连长二十员,士兵数百名。”“今日督战,李(仙州)师长负伤,戴(慕真)团长负伤,官员受伤过多。往日见伤兵多爱惜,此次专为国牺牲,乃应当之事。”郝梦龄视死如归的爱国之情,跃然纸上。
10月12日以后,敌以飞机,大炮,坦克向忻口中央地区猛攻数十次,郝率部御敌,屹然不动。10月15日夜,总司令卫立煌增派七个旅交郝梦龄军长指挥,由正面袭击,左右两侧同时出击策应,以期夹击敌人。
16日凌晨3时,郝亲临前线,挥兵奋进,连克数座山头。五十四师师长刘家麒也随郝督队前进。到5时余,天已微明。郝担心天明后新夺的阵地受敌空、炮火力威胁,决定乘胜直追。在我追袭下,敌阵纷乱,不得不以机枪、榴弹炮掩护退却。这时,郝梦龄、刘家麒已临散兵线之前,距敌仅二百多米。突然,郝、刘中弹倒下,二将在弥留之际,仍力呼所部杀敌报国,而后壮烈牺牲。同时殉国的,还有独立第五旅旅长郑廷珍等。
郝梦龄将军是抗战初期,牺牲在抗日疆场上的第一位军长。噩耗传开,举国悲悼。当灵柩于10月24日运抵汉口时,武汉各界代表4000余人往车站迎灵。11月15日,武汉各界隆重举行追悼大会,全市下半旗致哀,武汉行营主任何成浚代表蒋介石主祭。而后,将郝将军的灵柩以国葬仪式安葬于武昌洪山卓刀泉,12月6日,国民政府特颁褒扬令,追赠郝梦龄为陆军上将,刘、郑各追赠为陆军中将,明令“从优抚恤,生平事迹存备宣付史馆,用彰勋草,而垂永久”。
太原会战,历时两个月,是抗战初期华北战场上规模最大、战斗最激烈、持续时间最长、战绩最显著的一次会战。日军参战总兵力约合4个半师团共14万人,伤亡近3万人;中国军队参战总兵力6个集团军计52个师(旅)共28万余人,伤亡10万人以上。尤其是忻口战役,歼灭日军两万人,创造了华北歼灭日军人数的最高纪录,牵制了日军沿平汉铁路(北平-汉口)南下的作战行动。
1938年3月12日,在延安追悼抗敌阵亡将士大会上,毛泽东高度评价了郝梦龄等为国家民族的献身精神。郝梦龄将军牺牲后,他的遗属在新中国得到关怀照顾。郝梦龄的五个子女中,四人大学毕业,成为医师、教授和工程技术人员。
1983年9月13日,中华人民共和国民政部追认郝梦龄为革命烈士。武汉市政府又将武昌洪山卓刀泉的将军陵墓修葺一新。现在,每到将军殉国日,都有许多人去将军墓地祭扫凭吊。