但也正是因為馬占山和劉桂五的赫赫戰(zhàn)功，招來了日軍的瘋狂報復(fù)。為了對付這支機動性極強的部隊，日軍調(diào)來了大量飛機和摩托化部隊進行圍剿。38年4月20，東北挺進軍襲擊武川失利，在后退中遭日軍截擊。劉桂五率部斷后，奮力阻擊，激戰(zhàn)兩天兩夜終于暫時擺脫了敵軍。但在二十二日，部隊在黃油干子（今包頭附近）渡河時，馬占山司令部突遭日軍與敵坂倉混合旅團千余人及裝甲車七十余輛襲擊，劉桂五師長為了掩護軍部撤離，率部就地抵抗，不幸中彈殉國，年僅三十六歲。