包括劉桂五騎兵第６師在內(nèi)的東北挺進軍不斷發(fā)展壯大,，使日軍驚恐異常。１９３８年４月１５日,，馬占山率部迫近日軍巢穴張北,，日軍調(diào)集多支戰(zhàn)斗力量迎擊。雙方激戰(zhàn)５晝夜,，馬部給敵人以重創(chuàng),，但自己亦彈糧將盡，遂由武川向西撤,，以待整軍再戰(zhàn),。

１９３８年４月２１日夜，馬部在今內(nèi)蒙古包頭市固陽縣紅油桿子村宿營時,，被日軍包圍,。劉桂五指揮警衛(wèi)隊反復(fù)沖殺，直至次日早晨,，終因寡不敵眾,，所部被敵人打散。劉桂五在戰(zhàn)斗中被敵人的炮彈炸成重傷,，但依然拿手槍堅持作戰(zhàn),，后因傷勢過重，壯烈殉國,。６月９日,，國民政府在西安革命公園為劉桂五舉行追悼大會,，八路軍總司令朱德、副總司令彭德懷及陜西各界代表都贈送挽聯(lián),、發(fā)表講話,，頌揚抗日英雄。

新中國成立后,，陜西省人民政府追認劉桂五為革命烈士,，其靈柩也遷入西安南郊的革命烈士陵園。在紀念西安事變２５周年之際,，烈士陵園為劉桂五舉行了立碑典禮,。

內(nèi)蒙古自治區(qū)黨史學(xué)會常務(wù)理事趙殿武，長期進行劉桂五將軍事跡的尋訪和調(diào)查考據(jù)工作,。他說：“作為后來人,，應(yīng)該向烈士大無畏的犧牲精神致敬。這種精神時刻提醒我們勿忘歷史,，奮發(fā)圖強,。”