1937年8月13日，淞沪会战爆发。驻湘西整训之陆军第十五师扩充为第七十三军，奉令由驻地驰赴上海参加抗战。8月26日，当部队到达宁乡时，第十五师誓言：“要抱定牺牲的决心，立下必死的壮志跟敌人拼命……战胜的诀窍在于不怕死三个字。”旋第十五师由宁乡徒步经铜官、湘阴至沙洞车站，改乘火车到武昌后乘船至南京浦口，再改乘火车开赴上海前线。该师抵达上海后编入陈诚左翼军罗卓英第十五集团军序列，担任刘行至太平桥之线阵地防御。第十五师坚守刘行28天，与敌肉搏数十次，打退日军十余次进攻，全师15600人，伤亡1／4。

部队出发前，张彀中正在长沙住院，血压高达260，还患有糖尿病，医生建议他休养。他说：“事急矣，民族安危，在此一举，岂可观望!”毅然扶病到达前线。张彀中虽病重，但经常上前线督战，日军炮火连天，他毫不退缩。10月1日，日军第十一师团强攻张旅阵地，张彀中指挥官兵奋勇抵抗，于小南翔归塘要隘出奇破敌。日军在飞机、大炮、坦克掩护下疯狂反复进攻，均被击退。经过20多天的激烈战斗，张彀中病情恶化，多次晕厥于战壕。长官及其部属多次劝其休养，张旅长仍然坚持用电话指挥战斗。在紧急关头，军长王东原关怀部属，用担架强行将其接下，张彀中才离开火线。上担架时，张彀中嘱咐部属：“要学岳飞精忠报国，学文天祥誓死抵御民族侵略。我们决不能贪生怕死，有负军人天职。”10月30日，经过苏州太仓时，张彀中疾发而卒，时年42岁。