台儿庄战役基本上是由滕县保卫战、临沂保卫战、台儿庄保卫战组成，而汤头之战又是临沂保卫战的重点。3月3日，汤头之战打响，朱家麟反复勉励部属：“今日之战乃马关条约以来，中日两国一算总账的时候了，我们要以必死的决心，争取国家民族的生存，错过这一机会我们想死也无地可死了，”为了争取这“可死之地”，他率二二九团、二三〇团在汤头与日军拼死奋战六日。第一日，将一一五旅一分为二，他亲率半个旅与敌相搏，一夜之后半旅人已伤亡大半，其中二营营长汪大章以下官兵200人壮烈牺牲，另一营长潘鸿文在垛庄殉国。战至3月9日汤头失陷。据纽约出版的《世界日报》1995年12月19日追述：“双方主力作战是临沂北方卅里的汤头、葛沟之线，坂垣师团遭我痛击被迫后退卅多公里，后又发现日军第一〇五预备师团番号。日方飞机大炮掩护全面总攻，我阵地多遭夷平，日军蜂拥而入，我军所有文书、担架、伙夫、马夫俱提起枪支参战，卒将战局稳定。”在极其激烈的作战中，朱家麟始终与部下共生死，奋勇杀敌。临沂城危在旦夕，庞炳勋紧急调整部署，令一一六旅守正面，一一五旅（缺二二九团）为右翼，二二九团及补充团为总预备队，并严令各部死守阵地。李宗仁急调张自忠国民革命军第五十九军赴援。14日凌晨3时，张率部暗渡沂水，朱家麟旅残部始得退入堡子休息吃饭。岂料刚端起饭碗日军即发动进攻，朱家麟扔下碗又率兵与张部并肩作战。张攻敌右侧背，朱击敌左侧背。14日夜，攻占独树头、相公庄之线，并以手枪队肃清了相公庄东南残敌。15日一早，又将战线推进至东、西沈杨以北，在傅家屯歼敌400多，朱旅四连连长锅清顺临终前仍下令“冲锋！”补充团李宗岱排长率“敢死队”迂回至正进攻的日军之中，肉搏十多分钟后，日军溃退，抛下许多背包、器材、弹药，受到庞炳勋奖励。当时的战斗是逐村逐屋的白刃争夺战，血战四日夜后，张、庞两军伤亡3000余人，日军亦被歼3000多人，残敌大部向莒县逃窜，一部仍在汤头固守待援。17日夜，蒋介石在武昌闻临沂大捷战果辉煌，亲自致电张、庞祝贺。

1938年4月7日，台儿装大战告捷，蒋介石不顾时势，强行调集大量部队组织徐州会战，欲再创辉煌而事与愿违：几十万中国军队装备低劣，在徐州平原被日军团团围困，最高统帅部不得已令各部分三个方向突围：几经苦战，庞炳勋率四十军转移至微山湖边沛县，全军只剩下1000余人仓促扎营于微山湖边土堡内外，而敌军愈逼愈近。1938年5月11日夜，月黑风高，酷雨凄风，庞炳勋令朱家麟率残部掩护全军轻装突围，霎时枪声、炮声、呐喊声以及急风骤雨声四起，拂晓时敌机又邻空射击，尸横遍野，血水和着雨水横流。此时庞已率部分官兵突围，但一一五旅被日军围困七层，朱家麟“临难不苟免”，仍率残部奋力拼杀，当手下只剩下十余人时他们抢了一辆日军吉普车，插上日军旗帜，由他一个本家兄弟凭着一星半点驾驶知识摸索着乱开，突围至第六层时因车像醉汉般在平原上乱撞，引起日军怀疑，车被打坏，日军团团围上。朱家麟领着几名部下跳下车来，大声喊杀扑向敌人，终于在密集的机枪扫射中倒下，全车人无一幸免，全部壮烈殉国，时为1938年5月12日拂晓。

在突围的第二天夜里，朱家麟的一位本家兄弟和一位战士重回战场将他的遗体背出，埋在沛县西关小李庄的土地庙背后并做了标记。1938年6月5日，在河南漯河召开朱家麟旅长的追悼大会。

1988年8月底，陕西省政府决定追认朱家麟为“抗日烈士”，1988年10月24日，向朱家麟后代发放了“烈士证”。