16日拂晓，在南怀化东南第322团指挥所，郝梦龄站在土洞工事门口，发现独立5旅阵地方向没有动静。这时他还不知道，几乎所有参加反击的部队，都退出了1300高地，不断地有炮弹在附近炸响，子弹嗖嗖飞过。
郝梦龄问站在身边的第322团营长翟洪章：“走捷径，去独5旅阵地怎么走？”
翟洪章说：“由山脚下到独5旅，必须经过一段被敌人火力封锁的小路，长有20来米。昨天我营有四名传令兵均因通过那里牺牲了。夜里偷过危险小些，白天不能过。现在天已破晓，最好还是不去。您如果要去，请绕远路。”
郝梦龄：“时间已经晚了，再绕远路，啥时候才能到！”
翟洪章：“你写个命令，派人送去，不是一样吗？”
郝梦龄：“还是我亲自去，效果大一些。瓦罐不离井口破，大将难免阵前亡！我们走！”
郝梦龄一挥手，走在前面，刘家琪等人紧随其后。参谋长李文沼赶紧跑上前去，拉住郝梦龄的手小声说：“军长，进洞接电话。”
郝梦龄吼道：“咱们都不得怕炮弹！”这是他留下的最后一句话。
两分钟后，在通过一段隘口时，郝梦龄连中两弹，轰然倒地，为国捐躯了！刘家琪喉部、胸部三处中弹，血如泉涌，为国牺牲了！两颗将星同时陨落在华北大地上！
卫立煌指令第14集团军参谋长郭寄峤任第9军军长，第161旅旅长孔繁瀛任第54师师长，指定第61军军长陈长捷统一指挥中央兵团继续作战。并将此情况电呈军委会。
遂接蒋介石电示：已令现在潼关一带的第22集团军孙震部兼程驰援。阎锡山则电令第94师朱怀冰部及第177师第529旅，由龙泉关及五台山一带星夜赶赴忻县，归卫立煌指挥。
16日中午，日军汽车四百余辆满载步兵由团城口西进，于17日晚将到忻口前线。守军应在该敌未到达前，击溃当面之敌方为有利，但守军目前状况已不可能。卫立煌遂决定固守阵地，待援军到达后再转移攻势。即令各兵团转攻为守；第217旅、218旅撤至忻口附近集结，第54师界河铺北岸之一部，撤至界河铺以南占领预备阵地。
17日，蒋介石从中央广播电台的广播中听到：“中央社太原17日电：晋北战事开始以来，其战况之激烈，牺牲之重大，莫过于15、16两日忻口南怀化一役，因这一线之进退，足以影响晋北战局整个前途，故双方均以主力死拼。经两日之酣战，敌伤亡在四千人以上，我军亦有重大损失。尤其惋惜者，即郝军长梦龄、刘师长家琪、郑旅长廷珍，均因身先士卒，奋勇指挥，先后阵亡。
民国以来，军长因督战而在沙场殉职者，实以郝军长为第一人。国人由此可推想彼时战斗之激烈，牺牲之悲壮，实足惊天地泣鬼神。郝军长等死后，该军士气更为振奋，日军闻之亦甚丧胆。此役战绩，决可在将来中日战史增最光荣之一页。现郝军长、刘师长忠勇殉职，极为哀悼。于灵柩到太原时，派34军副军长傅存怀代表前往致祭，各军政长官代表亦纷纷致祭。……”
24日，汉口《大公报》发表了蒋介石的祭文：“矫矫郝君，一军独领，身先士卒，纵横驰骋，刘君继踪，如影随形，我师主力，万钧雷霆，方亦赴敌，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。”
同日，郝梦龄灵柩运至武汉，在汉口火车站，各界人士四千余人素车白马恭迎忠骸。郝妻剧纫秋和五个孩子泣不成声。（14年后，郝梦龄小女儿郝慧兰抗美援朝当了志愿军。）
11月15日，在武昌举行了万人参加的军长郝梦龄、师长刘家琪追悼大会，然后进行了国葬，全市下半旗致哀。汉口日租界的北小路改名为郝梦龄路。
12月6日，国民政府发表褒扬令：“陆军第9军军长郝梦龄、第54师师长刘家琪、第5旅旅长郑廷珍，矢忠革命，夙著勋勤。此次奉命抗战，于南怀化之役，率部鏖战，历五昼夜，犹复身先士卒，奋厉无前，竟以身殉。眷怀壮烈，轸悼弥深，应予特令褒扬。郝梦龄追赠陆军上将，刘、郑各追赠陆军中将，并交行政院转行从优抚恤，生平事迹存备宣付史馆，用彰勋荩，而垂永久。”