包括刘桂五骑兵第６师在内的东北挺进军不断发展壮大，使日军惊恐异常。１９３８年４月１５日，马占山率部迫近日军巢穴张北，日军调集多支战斗力量迎击。双方激战５昼夜，马部给敌人以重创，但自己亦弹粮将尽，遂由武川向西撤，以待整军再战。

１９３８年４月２１日夜，马部在今内蒙古包头市固阳县红油杆子村宿营时，被日军包围。刘桂五指挥警卫队反复冲杀，直至次日早晨，终因寡不敌众，所部被敌人打散。刘桂五在战斗中被敌人的炮弹炸成重伤，但依然拿手枪坚持作战，后因伤势过重，壮烈殉国。６月９日，国民政府在西安革命公园为刘桂五举行追悼大会，八路军总司令朱德、副总司令彭德怀及陕西各界代表都赠送挽联、发表讲话，颂扬抗日英雄。

新中国成立后，陕西省人民政府追认刘桂五为革命烈士，其灵柩也迁入西安南郊的革命烈士陵园。在纪念西安事变２５周年之际，烈士陵园为刘桂五举行了立碑典礼。

内蒙古自治区党史学会常务理事赵殿武，长期进行刘桂五将军事迹的寻访和调查考据工作。他说：“作为后来人，应该向烈士大无畏的牺牲精神致敬。这种精神时刻提醒我们勿忘历史，奋发图强。”

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