两军往复拼杀，到17日中午，城北和城西角都被日军炮火摧毁，日军步兵蜂拥入城，潢川岌岌可危。张自忠命令士兵上刺刀，与日军展开肉搏战。震耳欲聋的炮声消失了，代之而来的是手榴弹的爆炸声和撕心裂肺的喊杀声。日军还在不断涌入城内，战局万分险恶。张自忠下令组织敢死队，发起反冲击，拼命锁住日军突破口。攻入城内的日军成了瓮中之鳖，一个个、一伙伙地被吃掉。
18日，潢川西北的日军，又从息县分兵攻击罗山县城，切断了张自忠军向西的退路。这时，张自忠军已在潢川一带坚守了十二个昼夜，到了战区规定阻击日军的限期。19日凌晨，张自忠命令部队趁夜向潢川西南方突围。天明时分，日军再次向潢川城发起猛攻，一阵狂轰滥炸过后，被张自忠军打怕了的日军先头部队，提心吊胆冲进城内，才发现潢川已成一座空城，满目焦土瓦砾。
潢川战役，张自忠军孤军苦战，歼灭三千名日军，自身伤亡四千多人，为胡宗南部队的集结争取了宝贵的时间。