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，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五十四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、刘二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。同他在一起的刘家骐也为国捐躯。

　　1937年10月24日，郝梦龄的灵柩由山西运到武汉。武汉各界举行公祭，之后以国葬仪式安葬于武昌卓刀泉。为纪念郝梦龄的功勋，汉口北小路改名为郝梦龄路。1938年3月12日，在延安召开的追悼抗敌阵亡将士大会上，中国共产党高度评价了郝梦龄抗日殉国的精神。