凌晨五时，他率领第五十四师师长刘家麒、独立五旅旅长郑廷珍等将领继续带兵前冲。日军溃退以猛烈火力掩护逃跑。此时郝梦龄等将领已深入敌人散兵之前，终不幸腰部连中二弹殉国。
郝梦龄年仅39岁的生命就此定格。
他殉国后，士兵在其衣袋里，发现一封尚未发出的致友人信：“余受命北上抗敌，国既付以重任，视我实不薄，故余亦决不惜一死以殉国，以求民族生存。此次抗战，誓当以沙场为归宿。”
父亲殉国的消息传到武汉时，郝慧英正在学校里上课。“教导主任说，你还来上学干吗，赶快回去，你父亲已经牺牲了。”
郝慧英一回去，刚走到门口，就听见屋里哭声一片，“几个老太太哭成一片，我母亲哭得很伤心。”
10月24日，郝梦龄的灵柩由太原运至武汉。1937年11月16日武汉各界举行公祭，后以国葬仪式将郝梦龄遗体安葬在武昌，一万多人参加了葬礼。
随同灵柩一同抵达武汉的还有郝梦龄写的第二封遗书《与妻书》，这封装在小箱子里的遗书写于在忻口战役打响前一天。书中，郝梦龄对夫人剧纫秋说：“余自武汉出发时，留有遗嘱与诸子女等。此次抗战乃民族国家生存之最后关头，抱定牺牲决心，不能成功即成仁。为争取最后胜利，使中华民族永存世界上，故成功不必在我，我先牺牲。我即牺牲后，只要国家存在，诸子女教育当然不成问题。别无所念……倘吾牺牲后，望汝好好孝顺吾老母及教育子女，对于兄弟姐妹等亦要照抚。故余牺牲亦有荣。为军人者，对国际战亡，死可谓得其所矣！书与纫秋贤内助，拙夫龄字。双十节于忻口。”
1937年12月6日，国民政府追赠郝梦龄为陆军上将。蒋介石写下祭文：“娇娇郝君，一军独领，身先士卒，纵横驰骋。神皋禹甸，寸土寸金，有寇无我，人同此心。仗兹精诚，虏入吾掌，一尊妥殓，尚其来享。”
汉口《大公报》报道说，民国以来，军长之因督战，而在沙场殉职者，实以郝将军为第一人。
1938年3月12日，毛泽东在延安追悼抗敌阵亡将士大会上的讲话中，高度评价郝梦龄“给了中国人民以崇高伟大的模范”。
1941年，郝梦龄将军殉国4周年纪念日，冯玉祥将军著文称赞他为“国民的模范、军人的模范、革命党员的模范”，音乐家冼星海也专门作《郝梦龄将军悼歌》。
1946年，汉口日租界吉林路被命名为“郝梦龄路”。
1983年，民政部追认郝梦龄为革命烈士。
