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9月16日，日军攻占息县城，并向罗山方向进犯。第27军团后路受到威胁，掩护主力集中的任务将不能完成。张自忠即令第38师分两路向北面之敌进攻。黄维纲师长以第113旅第223团，从潢川北十五里铺出击，力求阻敌于潢川东北地区；以第112旅和114旅，向息县南二十五里铺出击，以牵制日军西进。
第38师与日军激战三昼夜，双方均伤亡惨重。日军为牵制中**队，再次向潢川发动猛攻，并从东西北三面采取包围态势。部将们见形势不利，建议张自忠下令后撤，张自忠坚决不许。
他说：“我们分兵袭击敌人，牵制敌人进攻；敌人也分兵袭击我们，牵制我们进攻。我们能坚决顶住，就支援了我们的进攻部队；我们退下去，就拉了我们进攻部队的后腿。所以无论如何，我们要坚决顶住。”
又经过两昼夜激战，日军未取得进展。
9月18日傍晚，第27军团指挥部所在地五里棚被围。张自忠考虑到潢川守军兵力单薄，就不向各师求援，自己亲率警卫营突围，然后派参谋通知第180师师长：司令部转移，并叮嘱必须尽全力确保潢川；又命令第38师抽调一个团守光山，随后将军团部移至光山。
9月19日，日军以主力围攻潢川，一路两千余人在城西南切断公路；潢川城北、城南全被日军炮火摧毁，城北守军在抵抗中伤亡惨重，敌军突入，发生巷战。守军几乎战至最后一人。19日午夜，第五战区下令潢川守军退守经扶（新县）。20日光山失守，中**队退守孟家山继续抵抗。
第27军团在潢川的阻击战，得到第五战区高度评价，电请蒋介石提前补充，奖励有功将领。电文说：
“查张军团长自忠守横川，与敌激战五昼夜，其在横川城内的部队，被优势之敌包围，与毒气之攻击，尤能艰苦奋斗，不求增援，20日始因伤亡过重，退出该城，该军团长尚能遵守命令，恪尽厥职，殊甚佩慰，拟请钧座特以嘉奖，该军团所缺兵额武器，并请提前补充，以资鼓励。”
张自忠是一位有骨气的爱国将领。七七事变后，第29军军长宋哲元退出北平，张自忠忍辱负重，留在北平与日军周旋，外界不明真相，颇有非议。后张自忠转辗到南京请求审查，真相大白后，复任第59军军长。徐州会战时，率部驰援临沂，为台儿庄歼敌创造了良好条件。徐州会战撤退时，张自忠率部掩护大批主力部队撤退，起到了极大作用。第27军团在横川战役中伤亡极大，部队撤到新县后，两个师又两个骑兵旅，仅缩编为四个旅八个团。
蒋介石看了第五战区的战况报告，不禁欣叹道：“壮哉，张荩忱（张自忠字）！”于是提笔批道：“准予所请，着将第27军团扩为第33集团军，张荩忱为集团军总司令。”
几个月内连晋两级，这在高级将领中是罕见的，足见蒋介石对张自忠十分器重。
第27军团在新县休整，张自忠抓紧时间召集营以上军官作战役检讨。他对作战英勇者表扬奖励，对表现欠佳者批评处理。
他说：“我们常说‘军人有守土卫国之责’，又说‘养兵千日，用兵一时’。现在国难当头，民族危亡之际，我们军人正是报效国家之时。在战场上英勇杀敌，寸土必争，是我们的职责，要完成这种神圣的职责，只有不怕牺牲，全力以赴才行。在潢川战役中，有几位部队长出生入死，不怕牺牲的精神可敬可佩，应予表扬；为国捐躯的官兵，除哀悼外，我们要发誓为他们报仇！但有一些部队长贪生怕死，部队在作战，他却躲得无影无踪，这是极其可耻的。兵熊一个，将熊一窝，这样的部队长如何要得！”
张自忠当即宣布，对作战不力的三个团长，两个撤职查办，一个免职留任，戴罪立功。他告诫各部队长，要抓紧时间做好休整，积极准备迎击来犯之敌。