9月16日，日军攻占息县城，并向罗山方向进犯。第27军团后路受到威胁，掩护主力集中的任务将不能完成。张自忠即令第38师分两路向北面之敌进攻。黄维纲师长以第113旅第223团，从潢川北十五里铺出击，力求阻敌于潢川东北地区；以第112旅和114旅，向息县南二十五里铺出击，以牵制日军西进。
第38师与日军激战三昼夜，双方均伤亡惨重。日军为牵制中队，再次向潢川发动猛攻，并从东西北三面采取包围态势。部将们见形势不利，建议张自忠下令后撤，张自忠坚决不许。
他说：“我们分兵袭击敌人，牵制敌人进攻；敌人也分兵袭击我们，牵制我们进攻。我们能坚决顶住，就支援了我们的进攻部队；我们退下去，就拉了我们进攻部队的后腿。所以无论如何，我们要坚决顶住。”
又经过两昼夜激战，日军未取得进展。
9月18日傍晚，第27军团指挥部所在地五里棚被围。张自忠考虑到潢川守军兵力单薄，就不向各师求援，自己亲率警卫营突围，然后派参谋通知第180师师长：司令部转移，并叮嘱必须尽全力确保潢川；又命令第38师抽调一个团守光山，随后将军团部移至光山。
9月19日，日军以主力围攻潢川，一路两千余人在城西南切断公路；潢川城北、城南全被日军炮火摧毁，城北守军在抵抗中伤亡惨重，敌军突入，发生巷战。守军几乎战至最后一人。19日午夜，第五战区下令潢川守军退守经扶（新县）。20日光山失守，中队退守孟家山继续抵抗。
第27军团在潢川的阻击战，得到第五战区高度评价，电请蒋介石提前补充，奖励有功将领。电文说：
“查张军团长自忠守横川，与敌激战五昼夜，其在横川城内的部队，被优势之敌包围，与毒气之攻击，尤能艰苦奋斗，不求增援，20日始因伤亡过重，退出该城，该军团长尚能遵守命令，