脱险后，张自忠一度以戴罪之身空挂军政部部附的职务。1938年3月徐州会战开始后，张自忠正式复出，担任第59军军长，并在临沂阻击日军立功。对此，国民政府于3月30日发布公告：“张自忠前经明令撤职查办，兹据军事委员会呈称，此次临沂之役，该员奋勇歼敌，树立奇功，拟请撤销前令，鼓励等情。张自忠撤职查办处分应准撤销，用昭激励。”正式为张自忠洗刷耻辱。此后他先后参加了武汉会战、随枣会战和1939年冬季攻势。

5月15日，张自忠指挥的部队与日军第39师团一部发生激战。入夜后，日军大部队抵达，迫使张自忠率部向南瓜店转移。16日拂晓，日军步兵第231联队对南瓜店发起进攻。战至下午2时，保护总部的特务营伤亡殆尽，日军冲入阵地，张自忠随即组织肉搏，于15时伤重而亡，时年50岁。这位一度被认为是“汉奸”的抗日名将，终于以实际行动证明了自己。

1933年长城抗战爆发，张自忠奉命率所部在喜峰口抗击日军。这是他生平第一次与日军交锋，部队出发前，他号召全师营以上干部开会，慷慨激昂地说：“日本人并没有三头六臂，只要我们全国军民齐心协力，与日寇拼命，就能将日寇打出中国去。国家养兵千日，用兵一时，为国捐躯，重如泰山！”另外他还要求部队出发后“与地方老百姓打成一片，不动老百姓的一草一木；战斗中要节省子弹，不瞄准敌人不准打枪”。从3月9日到4月15日，张自忠指挥的第38师在喜峰口及附近地区与日军混成第14旅团激战一个多月，直到友军防守的冷口失陷，才奉命撤退到宣化休整