10月15日拂晓，当第三二二团战斗到只剩下100多人的时候，郝梦龄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。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！”他高兴地说：“好，将有必死之心，士无贪生之意。”他以此格言与官兵共勉，并挥笔疾书“站在那里，死在那里”八个大字，晓谕全军将士。
到15日夜，郝梦龄奉命指挥七个旅，由正面向敌夜袭，左右翼同时出击策应，以期收夹击之效。夜3时，郝梦龄又亲临前线，挥兵奋进，连克数座山头。五十四师师长刘家麒也随郝梦龄督队前进。到5时余，天已微明。郝梦龄担心天明后新夺的阵地受敌空、炮火力威胁，决定乘胜直追，以即刻将残敌歼灭，遂更奋勇挥兵。在我军追袭下，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200多米。突然，郝、刘中弹倒下，两将在弥留之际，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日运抵武汉时，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，全市下半旗志哀，武汉行营主任何成浚代表蒋介石主祭。而后，将郝梦龄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，用彰勋荩，而垂永久”。为了纪念烈士，曾将汉口日租界的北小路，命名为郝梦龄路（今吉林路）。
中共中央主席*于1938年3月12日在延安追悼抗敌阵亡将士大会上，高度评价了郝梦龄等为国家民族的献身精神，他说：
八个月中，陆空两面都做了英勇的奋战；全国实现了伟大的团结；几百万军队与无数人民都加入了火线，其中几十万人就在执行他们的神圣任务中光荣地、壮烈地牺牲了。这些人中间，许多是国民党人，许多是共产党人，许多是其他党派和无党无派的人。我们真诚地追悼这些死者，表示永远纪念他们。从郝梦龄、佟麟阁、赵登禹、饶国华、刘家麒诸将领到每一个战士，无不给了中国人以崇高伟大的模范。中华民族决不是一群绵羊，而是富于民族自尊心与人类正义心的伟大民族，为了民族自尊与人类正义，为了中国人一定要生存在自己的土地上，决不让日本法西斯不付重大代价达到其无法无天的目的。我们的方法就是战争与牺牲，拿战争对抗战争，拿革命的正义战对抗野蛮的侵略战；这种精神，我们民族的数千年历史已经证明，现在再来一次伟大的证明。郝梦龄将军等数十人就为着这个而牺牲了。……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？
蒋介石也特为忻口阵亡的郝梦龄刘家麒两将军撰写了祭文：
呜呼！岛夷蛇豕，荐食上国，既噬台鲜，复攫东北，贪婪无厌，兵压平津，陷察攻晋，谓我无人。矫矫郝君，一军独领，身先士卒，纵横驰骋；刘君继踪，如影随形，我师生力，万钧雷霆。方其赴敌，宁惜一死，挺身杀贼，誓雪国耻，枪林弹雨，与寇偕亡，士气大振，
无忝炎黄。
音乐家冼星海谱写了《郝梦龄将军悼歌》，1939年10月16日，《新华日报》发表短评纪念将军，称颂“将军的殉国，是我民族的莫大损失，但这个光荣的死是重于泰山的”。在郝梦龄将军殉国四周年之际，冯玉祥特著文追念将军，称赞将军是国民的模范、军人的模范、革命党员的模范。
1983年9月13日，中华人民共和国民政部为表彰爱国军人的献身精神，追认郝梦龄为革命烈士，颁发了烈士证书。武汉市政府又将武昌洪山卓刀泉的将军陵墓修葺一新。
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