忻口战线的后方，张焕所在的晋绥军第六十一军，一直在等待着增援忻口的命令。而在另一片战场上，黄绍竑指挥的中国守军，已在娘子关一线与日军展开激战。远在陕北的毛泽东专门致电阎锡山，希望他密切关注娘子关一线。
10月15日晚，中央兵团总指挥、第九军军长郝梦龄决定调5个旅兵力，于16日凌晨2时向日军占领的忻口以北南怀化阵地发起反攻。
郝梦龄原率部驻扎贵阳，国难当头，请缨北上。此前他对妻子说：“我是军人，半生光打内战，对国家毫无利益，日寇侵占东北，人民无不义愤填膺。现在日寇要灭亡中国，我们国家已到生死存亡的最后关头，我应该去抗战，应该与敌人拼。”当他率部途经武汉与家人告别时，对儿女们说：“我爱你们，但是更爱我们国家。现在敌人天天在屠杀我们的同胞，大家都应该去杀敌人，如果国家亡了，你们也没有好日子过了。”行前，他给儿女们留下一封信：
此次北上抗日，抱定牺牲。万一阵亡，你等要听母亲的教调，孝顺汝祖母老大人。至于你等上学，我个人是没钱。将来国家战胜，你等可进遗族学校。
……
决战前夕，郝梦龄给妻子写信说：
此次抗战，乃民族、国家生存之最后关头，抱定牺牲决心，不成功便成仁。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。我既牺牲后，只要国家存在，诸子女教育当然不成问题……余牺牲亦有荣。为军人者，为国家战亡，死可谓得其所矣！
在忻口阵地，郝梦龄对士兵们讲话：“先前我们一个团守这一阵地，现在我们剩下一百多人，编成一个连，还是守这个阵地。就是剩下一个人也要守这个阵地。我们一天不死，抗日的责任就不算完。我出发前，已在家里写下遗嘱，不打败日寇决不生还。现在同你们一起坚守这块阵地，决不先退。我若先退，你们不论是谁都可以枪毙我。你们不论是谁，只要后退一步，我立即枪毙他。大家敢陪我在此坚守阵地吗？”全体士兵齐声回答：“誓死坚守阵地！”他高兴地说：“好，将有必死之心，士无贪生之意。”并挥笔疾书“站在哪里，死在哪里”八个字，晓谕全军将士。
反攻前，郝梦龄对军官作战前动员：“此次战争，为民族存亡之战争，只有牺牲；如再退却，到黄河边，兵即无存，哪有长官？此谓我死国活，国活我死。”
16日凌晨 2时，反攻开始。在郝梦龄的指挥下，中国军队连克几个山头，到5时许，天色微明，郝梦龄急于赶到独立第五旅的前沿阵地指挥作战，官兵们告诉他，前面有一段路被敌人火力封锁，十分危险，劝他写书面命令派人送去。郝梦龄说：“瓦罐不离井口碎，大将难免阵前亡。”说罢，便向前沿阵地奔去，在穿过离敌仅200米的阵地时，不幸中弹牺牲，年仅39岁。同时牺牲的还有第五十四师师长刘家祺。不久，独立第五旅旅长郑连珍也阵亡殉国。
卫立煌在致蒋介石的密电中称赞三位牺牲的将领“当弥留时，仍大呼所属杀敌而逝。似此忠勇，足式群伦”。
张焕记得，郝梦龄牺牲后，有个战场追悼会。“前方能够抽下来的人员，大概就那么几百个人，在后方，也就离前线三四里，卫立煌主持开了一个追悼会，他讲了话。”
郝梦龄为抗战爆发后阵亡的第一位中央军军长。国民政府为他举行了国葬，追赠他为陆军上将，以示褒扬。毛泽东称赞郝梦龄等是中国人民“崇高伟大的模范”，“中华民族绝不是一群绵羊，而是富于民族自尊心与人类正义心的伟大民族……郝梦龄将军等的热血是不会白流的，日本强盗之被赶出中国谁能说不是必然的？”
10月17日，蒋介石给卫立煌连发两道密电：“仍望抗战到底，以竟全功。”“忻口会战关系至大，望督励所部一鼓歼敌为盼。”
当天，蒋介石还致电朱德、彭德怀：“贵部林师及张旅，屡建奇功，强寇迭遭重创，深堪嘉慰。”
