南瓜店的十里长山，用树木和石块构筑了简易工事，准备在这里迎击日军的进攻。
五月十六日拂晓，日军对张自忠部发动了全面围攻。
第39师团的主力从正面发动猛攻，第13师团的一个联队负责从侧翼包抄，第6师团的一个支队负责从后方切断张自忠部的退路。三路部队同时展开攻击，张自忠部被围困在南瓜店附近的区域内。
他们的兵力不足四千人，面对的却是将近两万人的日军部队。战斗进行得极为惨烈。
第74师的阵地承受了日军最猛烈的攻击，步兵在日军的自动火力压制下伤亡不断上升，阵地在数小时内被撕开了多处缺口。骑9师在侧翼的迂回中也遭到了日军的阻击，骑兵部队在地形不利的情况下无法发挥机动性优势，骑兵不得不转为步兵下马战斗。
张自忠见战局危险，果断投入预备队，暂时稳住了战场的形势。
当天上午，张自忠在指挥所里不断接到各部队的报告。报告的每一条都在说同一个内容，伤亡在增加，弹药在减少，防线在收缩。他走出指挥所，站在一处高地上看了一眼周围的战况。阵地上到处都是弹坑和倒下的士兵，日军的炮弹还在不断落下，机枪的射击声从各个方向传来。
他转身走回指挥所对参谋长说：“让第74师再坚持两个小时，给骑9师创造绕到侧翼的机会。”
参谋长立刻去传达了命令。上午十点左右，张自忠在查看前线战况时左肩被弹片击中，军服上渗出了血迹。
他没有下火线，只是让卫生员简单包扎了一下，继续指挥战斗。
中午时分，他左臂又中了一弹，手臂的伤势加重，伤势严重到手臂已经抬不起来。他让副官帮他把受伤的手臂挂在胸前，依然站在地图前面指挥各部队的调动。
下午二时左右，第74师的防线被日军突破，部队被迫后撤。
骑9师的迂回行动也没有取得预期的效果，被日军堵在了半路上。
总部再次投入了最后的预备队，试图把防线重新连接起来，但兵力严重不足，只能守住几个关键的支撑点。
张自忠身边的官兵已经从四千人锐减到了数百人，弹药也所剩无几。
他让副官给总部发去
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