1941年5月，他和旅长罗忠毅率16旅46团、47团回师茅山地区，经浴血奋战，终于恢复和巩固了茅山抗日根据地。10月，他和旅长罗忠毅率旅部及中共苏皖区委机关驻江苏省溧阳县塘马村一带。

1941年11月27日深夜，日军集中步、骑、炮联合兵种共3000余人，对16旅驻地江苏溧阳塘马村发动突然袭击。廖海涛组织旅部及中共苏皖区党委机关转移，率部对敌阻击，掩护机关人员突围，打退日军多次疯狂进攻。战斗从28日凌晨一直坚持到中午，毙伤日、伪军300多名。廖海涛身陷重围，腹部中弹，仍然手捂伤口继续指挥战斗，最终因伤势过重壮烈牺牲，年仅32岁。

廖海涛烈士的故乡上杭县是中央苏区的重要组成部分。近年来，上杭县高度重视保护红色文化，将红色旅游与历史文化遗产利用保护、革命老区经济社会发展、现代旅游产业发展结合起来，实施了古田会议旧址群维修保护、毛泽东才溪乡调查旧址维修和纪念馆扩建、将军和名人故居维修保护等工程，产生了良好的政治、社会影响。

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