忻口会战中的中国士兵13日晨，激战开始，日军第5师团的5000余人在30余架飞机和火炮、战车掩护下，向忻口地区发起了猛烈进攻，以中央突破方式，猛攻南怀化防御阵地。
郝梦龄部中央地区战斗最为激烈，阵地上硝烟弥漫，弹片飞溅，土翻尘扬。郝梦龄冒着枪林弹雨，亲自到各处阵地督战。官兵们见军长不惧危险，士气大振，与敌血战，后终因伤亡过重，忻口西北的南怀化东北204高地被敌攻占。
南怀化是通往忻口的要道，其东北高地被敌人控制，将陷守军于极不利的地位。郝梦龄随即组织部队反攻，以期夺回阵地，他来到在南怀化作战的第322团，对官兵们说：
“先前我们一团人守这一个阵地，现在我们剩一百多人，编成一个连，还是死守阵地。就是剩一个人，也要守这个阵地。一天不死，抗战任务一天不能算完。现在我都不怕死，你们大家都怕吗？”
官兵们齐声回答：“不怕！”郝梦龄高兴地说：“‘将有不死之心，兵无贪生之意’这句格言，只有在凶杀恶战中才能体会出来。”
接着，郝梦龄来到第321团防守的桥头堡。这是日军除南怀化外又一个主攻方向，战斗极为激烈，郝梦龄来到每一个战壕，慰问官兵，鼓舞士气。
南怀化东北204高地失守，事关全局，卫立煌与副总指挥傅作义令郝梦龄一定要夺回，并派陈长捷的晋军第61师前往增援。
次日晨5时，郝将军命令所部开始向南怀化、新陈庄出击。322团在前，晋军在后，限3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。但由于日军火力强大，郝梦龄组织了多次反攻，均未得手，第322团1营营长请求支援，郝梦龄指示：
“战在何处，死在何处！”
这时，第322团仅剩下100多人，郝梦龄命令将其编为一个连，并对他们说：
“出发前，我已经给家里写了遗书。现在，我和你们坚守这个阵地，决不先退，我若先退，你们无论是谁，都可以枪毙我。你们无论是谁，只要后退一步，我就立即枪毙谁。”
10月15日夜，总司令卫立煌增派7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。卫立煌电话指示：“南怀化是第9军与友军的接合部，影响甚大，必须恢复。”
郝梦龄于次日凌晨，与刘家琪师长复临南怀化阵地。当有人劝他休息一下时，他说：“我是来休息的吗？”
16日凌晨，我反攻大军分数路扑向日军阵地，枪炮声如雷，喊杀声震天，担任反攻指挥任务的郝梦龄和54师师长刘家骐将军亲自到前线督战，连克敌人几个山头。到了早晨5点，天已微明，郝梦龄恐怕天明后我军阵地受敌炮火威胁，不能巩固，不如乘胜追击，迅速歼灭残敌，于是挥兵奋进，敌军混乱，以机枪、手榴弹掩护后退。这时，郝、刘两将军已快到散兵线之前，距离敌人只有200米。在通过一段隘路时，郝梦龄被敌人的机枪子弹打中，倒下后仍力呼所部杀敌报国，而后壮烈牺牲。刘家骐也为国捐躯。
