10月11日，著名的忻口保卫战打响了，指挥进攻忻口的日军指挥官是第五师团长板垣征四郎，他集中日军全部精锐，以飞机、大炮、坦克等精良武器装备，组成“立体战争”的密集火力网，疯狂向我忻口阵地猛攻。当时，首当其冲的是布防于中央地区的第九军。郝梦龄亲临第一线指挥作战。在敌人飞机、大炮轰炸时，他指挥部队躲入掩蔽部，待炮火一停，马上出击，用步兵武器狠狠打击日军。双方多次展开白刃肉搏，近距离互掷手榴弹。战况至为惨烈。

　　10月12日，南怀化主阵地被日军攻破，敌我双方步炮兵主力在忻口西北、南怀化东北204高地上，展开了激烈的拉锯战，一昼夜阵地易手13次。第九军在夺回被敌人占领的高地时，有的团只剩下一个营的兵力。三二二团在经过反复冲杀后只有百余人了。郝梦龄在阵地上对他们说:“先前我们一团人守这个阵地，现在只剩下一连人还是守这个阵地，就是剩下一个人，也要守这个阵地。我们一天不死，抗日的责任一天就不算完。出发之前，我已在家中写下遗嘱，打不败日军决不生还。现在我同你们一起坚守这块阵地，决不先退。我若是先退，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。”他又大声问了一句:“你们大家敢陪我在此坚守阵地吗？”所有官兵齐声回答:“誓死坚守阵地！”次日晨5时，郝将军命令所部开始向南怀化、新陈庄出击。三二二团在前，晋军在后，限三小时攻下，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(仙洲)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。

　　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。