1944年8月，衡阳陷落后，日寇为了打通西南，威胁重庆，以利进行政治诱降，再次纠集兵力，于是年十月下旬，出动九个师团，十一万余众，从湖南、广东及越南三个方面向广西进攻，开始了桂(林)柳(州)会战。10月11日，日军沿湘桂路，分由灵川、高尚田、海洋坪三路进攻桂林。当时，吕旃蒙随同桂林城防司令韦云淞、参谋长陈济桓所指挥的部队，总共不足三万人，其中半数，还是湘粤赣撤退下来的部队，战斗力很差，面对敌强我弱的险恶形势，吕旃蒙写下遗书，决心“愿与桂林共存亡”。这时，他和部队面临着阵地宽阔、跨河配备，固守待援的艰巨任务。他白天去各师团督阵检查，指导修筑城防工事；晚上研究作战方案，和衣而卧，坚守在电话机旁，通宵达旦，未尝稍懈。10月29日，敌我前哨部队接触，31日全城被敌合围。至11月4日，日军竟施放毒气，5日以战车掩护，分股猛攻江东地区。吕旃蒙指挥军队，依托防御工事和石山岩洞节节抵抗。不数日，屏风山、猫儿山等处的守军官兵，与敌反复冲杀，浴血奋战，伤亡殆尽。敌人利用江东阵地缺口，重兵大量突入，夹攻七星岩口及月牙山我军。11月8日，江东地区三九二团指挥所被围困在七星岩内，敌又向岩内施放毒气，该团团长仍率领岩内部队与敌苦战三昼夜，官兵数百人惨死在洞内。江东地区既告陷落，江北地区亦同时被敌突破，城内阵地，受到重大威胁。后因江水暴涨，江防又失守，敌强渡漓水，窜入城内，截断城内交通联络，破坏我军指挥机关，于是，城内遂陷入混战状态。9日晚一三一师指挥所被敌围攻甚急，阚维雍师长为国捐躯。吕旃蒙和三十一军军长及防守司令部各自指挥所能掌握的部队，四面冲杀，展开肉搏，浴血奋战至次日拂晓，终因敌众我寡，久战无援，吕旃蒙身中数弹，战死于德智中学附近阵地上。同役殉国者，还有防守司令部中将参谋长陈济桓以及校尉官数百，士兵数干，牺牲之惨烈，为抗战八年中各名城防守战役所少见。