被切断深感震惊，主力掉头攻击马占山挺进军。由于日军吸取了和马部骑兵作战的教训，组建了大编制的摩托化部队，并在飞机配合下攻击马占山部，使主力是传统骑兵的挺进军陷入被动。此时，马占山为胜利所激动，一时贪攻试图收复整个绥北，还在继续向东方百灵庙和武川方向攻击，发现情况危急后回撤不及。（夜袭武川之敌时，与敌原口联队千余人、装甲车三十余辆遭遇。武川伪军骑兵第二十五团约五百余人，也在日军指挥下，向刘部左侧攻击。刘率部奋勇抵抗，终于杀出重围，）四月二十日，后退中的挺进军被日军截击战败。刘桂五率部断后，奋力阻击，激战两天两夜，二十二日，部队在黄油干子（今包头附近）渡河时，马占山司令部突遭日军与敌坂仓混合旅团千余人及装甲车七十余辆袭击，刘师长率部就地抵抗，掩护军部撤离，不幸中弹殉国，年仅三十六岁。
突围的马占山听说刘桂五战死，不顾危险返回后队，抚尸大哭（马与刘是东北军时代的老友，袍泽情深）。因为战况紧急，只能着部下暂时将其遗体仓促掩埋在河岸附近的乱石中。不久后返回，准备运回遗体，遗体的头颅已被日寇割去运回东京，泡在福尔马林溶液的玻璃瓶里做战利品在日本展示。起于草莽，殉于国家，大概就是说的刘桂五这样的军人吧。
当时的中国政府追赠刘桂五为陆军中将。一年后马占山率部再出大青山，为刘桂五重建陵墓，穿石为忠烈祠，并立“抗日阵亡将士纪念塔”以作纪念。1961年7月，陕西省人民委员会追认刘桂五为革命烈士。