中国军队在临沂和台儿庄的胜利,大大刺激了蒋介石、李宗仁等人的求胜欲望。日军利用中国军队急于求胜的心理,调集13个师团30万兵力,于5月中旬将徐州包围。5月15日,蒋介石在武汉主持召开最高军事会议,决定放弃徐州。李宗仁指定张自忠指挥第59军和第21、27、139师等部殿后,掩护大军撤退,完成任务后开赴许昌集结。潢川战役,59军孤军苦战12昼夜,为后方友军的集结争取了宝贵的时间。该役,59军歼敌3000人,自身伤亡4000余人,其中4位营长阵亡。10月12日,李宗仁电告张自忠,他已升任第33集团军总司令。11月13日,张自忠又被任命为第5战区右翼兵团总司令。
1940年,日本发动“宜昌作战”,5月1日,日军兵分三路向襄河东岸五战区部队发动大规模进攻,张自忠将军在同几倍于我的敌人的战斗中,弹尽粮绝,英勇牺牲。