但也正是因为马占山和刘桂五的赫赫战功，招来了日军的疯狂报复。为了对付这支机动性极强的部队，日军调来了大量飞机和摩托化部队进行围剿。38年4月20，东北挺进军袭击武川失利，在后退中遭日军截击。刘桂五率部断后，奋力阻击，激战两天两夜终于暂时摆脱了敌军。但在二十二日，部队在黄油干子（今包头附近）渡河时，马占山司令部突遭日军与敌坂仓混合旅团千余人及装甲车七十余辆袭击，刘桂五师长为了掩护军部撤离，率部就地抵抗，不幸中弹殉国，年仅三十六岁。