翼安全。中国各路抗日军队近三十万人，在总指挥卫立煌（代表中央军）、副总指挥傅作义（代表晋军）的指挥下，划分为左、中、右三个兵团，进入忻口。刘家麒将军所率的第五十四师是装备较好，久经战阵的主力部队，奉令担任中央兵团南怀化东北高地中央地区主阵地的布防任务，并担任占领云中河北岸下王庄前进阵地的任务。
刘将军率领其属下的第一六一旅和第一六二旅进入阵地后，马上紧张地构筑工事，储备弹药，并与友军密切磋商，划分战斗区域，统一规定各部队接合部的保障措施。刘家麒还陪同郝梦龄将军亲临前线视察阵地，指导士兵构筑工事，晓以官兵抗日救国的革命道理，鼓励士兵奋勇杀敌，忠心报国。全体官兵士气高昂，决心以鲜血和生命保卫祖国的每一寸土地，誓与阵地共存亡。
1937年10月，日军精锐板垣师团攻原平，原平守军第一九六旅在姜玉贞旅长率领下，浴血奋战，坚守原平十日，最后全部壮烈殉国。消息传来，忻口守军义愤填膺，决心以原平守军为榜样，狠狠打击日本侵略军，誓与敌人血战到底。
疯狂的日军在战领原平后，即在飞机、大炮、坦克的火力掩护下，向我忻口阵地发起了猛攻。南怀化高地是中央地区的主阵地，在敌人的攻势面前必首当其中，刘家麒将军率领第五十四师就坚守在这里，敌我双方展开了激烈的血战。密集的日军步兵冲锋集团，在其稠密的炮火和飞机的掩护下，向我阵地发起了一次又一次波浪式的冲锋，刘将军率领部队沉着应战，在敌人飞机，大炮轰炸时，他指挥部队躲入掩蔽部，待炮火一停，又马上冲上阵地，用步兵武器狠狠地打击日军。敌人志在必得，我军宁死不退，双方多次地展开了白刃肉搏，近距离互掷手榴弹，真是杀声震天，血肉横飞，战况之惨烈，抗战中之罕见。敌我双方均损失惨重，阵地前布满了敌人的尸体。刘家麒将军在战斗最激烈的时刻，常常亲临前线，指挥部队作战，他镇定如常，誓与日寇血战到底。不获胜利，绝不生还的坚定决心深深地感染了战斗中的抗日官兵，鼓舞着他们与敌人拼搏，为保卫祖国而光荣献身，因而，我军虽伤亡甚重，仍士气不衰，斗志不减。
10月12日，南怀化主阵地被日军突破，双方步、炮主力在忻口西北和南怀化东北高地展开了激烈的争夺战，刘将军亲自指挥部队反复冲锋，多次拉锯，阵地得而复失，失而复得，几经易手，我军每日伤亡多达千人。我军将士虽奋勇杀敌，无奈装备差距过大，虽负出重大伤亡，仍无力恢复原阵地。前敌指挥部深知南怀化高地系主阵地之锁钥，为恢复阵地，调集大批援军，准备于16日晨发动总攻，一举夺回南怀化高地。
10月16日凌晨，我反攻大军分数路扑向日军阵地，枪炮声如雷，喊杀震天。担任反攻指挥任务的郝梦龄将军亲临一线，指挥部队前进，连克数个山头。其时刘家麒师长也正指挥左翼五旅前进，后又随郝军长到前线督战。到5时，天已微明，郝梦龄恐怕天明后我新阵地受敌炮火威胁，不能巩固，不如乘胜直追，迅即歼灭残敌。于是穷追猛打，深入敌阵，敌军无力抵抗，只得以机枪、手榴弹掩护后退。是时，郝、刘二将军身先士卒，已临火兵线之前，距敌不过200余米。在通过一段隘路时，遭敌机枪与掷弹筒袭击，身中数弹，待特务连士兵将二将军救护出阵地时，均已壮烈牺牲。郝军长、刘师长殉国后，忻口守军在两将军精神的感召下，不畏牺牲，英勇奋战，我忻口阵地固守21天屹立不动。直到东线娘之关失守，日军迫进太原，北线死守已无必要，我军才于11月2日主动撤出忻口阵地。
1937年10月24日，对于亲历过这一天的老武汉人来说，是个特别的日子。这一天，刘家麒、郝梦龄将军的灵柩运抵大智门火车站（今汉口车站路老火车站），4000余名军政要人及武汉市民，前往迎接英灵。
11月15日，武汉各界人士数千人为抗日英雄郝梦龄、刘家麒将军举行追悼大会，全市下半旗向英灵致哀，武汉行营主任何成浚代表国民政府军事委员会委员长蒋介石主祭，并献了花圈，宣读祭文。来自武汉各界祭送的挽联600余副，花圈70余个，摆满整个大厅。12月6日，国民政府明令褒扬为国牺牲的刘家麒将军，并将刘家麒将军追赠为陆军中将。此后，刘将军被安葬在武昌卓刀泉伏虎山。
中国共产党对刘家麒将军也给予了高度评价。1938年3月12日，毛主席同志在纪念孙中山逝世13周年及追悼抗战阵亡将士大会上说：“我们真诚地追悼这些死者，表示永远纪念他们，从郝梦龄、刘家麒……到每一个战士，无不给予中国人以崇高伟大的模范。”抗战胜利后，汉口旧日租界原“新小路”改名为“刘家麒路”，一直延用至今，现址就在武汉市江岸区沿江大道附近。