这时候，代理李宗仁负责第五战区的白崇禧，才明白自己犯了一个大错。他原以为，东久迩宫的第二军主力会从右翼的大别山南麓与长江北岸之间的狭长地带进攻，因此，他把三十万兵力中的一半，部署在大别山南麓。但是，精明的东久迩宫偏偏选中大别山北麓作为主攻方向，迂回到守军的左翼，企图从信阳和武胜关南下武汉。左翼孙连仲兵团不过六七万人，却要对付十万人的日军精锐，“钢头”孙连仲预感到自己会再次遭遇台儿庄的惨烈，连连向白崇禧告急。白崇禧当然会给孙连仲增兵，他只是需要时间。但是，日军没有给他调兵的余裕，一向临战不乱的“小诸葛”白崇禧，此刻不免有些慌乱。
他只能靠前线部队拼死把日军挡住，来争取宝贵的时间。他把电话打到商城的孙连仲兵团司令部，要求孙连仲动用宋希濂第七十一军和田镇南第三十军，把日军挡在固始一线。
宋希濂军也是蒋介石的嫡系精锐，但宋希濂不同于其他的嫡系，他不是汤恩伯，也不是桂永清，他愿意听命于白崇禧和孙连仲，在最惨烈的火线上拼掉自己的实力。他在富金山找到了绝佳的阻击阵地，把他的王牌陈瑞河第三十六师摆在最前沿，挡住了日军荻洲立兵第十三师团的猛攻，为白崇禧赢得了宝贵的十天，使张自忠的第五十九军能够开进潢川布防。而宋希濂军付出的代价，是陈瑞河师一万多人战到只剩八九百人。蒋介石给宋希濂和陈瑞河颁发了华胄荣誉奖章，但他没有看到三十一岁的宋希濂为阵亡将士流下的泪水。在这场阻击战中，田镇南的第三十军也死伤过半。
陈瑞河师拼命阻滞日军步伐的时候，张自忠率领第五十九军朝潢川疾进。这个军多为北方子弟，不少人水土不服，加上连日急行军，身体抵抗力锐减，许多士兵患上了恶性疟疾。由于药品匮乏，每天有几十名官兵死亡。张自忠心急如焚，却措手无策。军情紧急，他不得不狠下心来，严令部队拼死前进，终于抢在日军之前进入潢川布防。
白崇禧要求张自忠死守潢川到9月18日，以掩护胡宗南的部队在信阳和武胜关等地集结。
张自忠的对手，是在台儿庄战役中遭到中国军队痛击的日军主力第十师团。原师团长矶谷由于战败，已被大本营撤职，由筱冢义男继任。这一次，筱冢师团挟恨而来，气势汹汹，想一血台儿庄战败之耻。他们攻陷固始以后，立即扑向潢川。
潢川一带地势平坦，易攻难守。张自忠知道，在这种地形上打防卫战，仅仅守城阻敌是不够的，还要在外围层层布阵，才能赢得时间，防止日军迂回包围。他将刘振三第一八○师的独立第三十九旅放在潢川守城，派独立第二十六旅前出到城东七里岗布防，派第三十八师第一一三旅到七里岗以东的春和集先头阻敌，将该师主力部署在潢川城西二十里铺地区担任预备队，防止日军迂回，军部设在城西的任大庄。
刚刚部署完毕，日军就杀到了春和集，与仓促布防的第一一三旅迎头相撞，潢川保卫战打响。
不巧的是，张自忠自己也染上了疟疾，忽而高烧如火，忽而冷彻肌骨，身体绵软无力。他强挺着指挥作战，发给全军的手谕掷地有声：“各部队长官必须亲自督促所部抢筑工事，不惜一切牺牲，与阵地共存亡”随即又赶到潢川城内，给守城的安克敏旅长下死令：“你要死守潢川，潢川就是你们的棺材”
五天激战下来，到了11日夜晚，日军冈田旅团突破了第一一三旅的防线，占领了春和集。第二天，日军在黄冈寺遭到独立第二十六旅的顽强阻击，双方形成拉锯式争夺，几进几出，相持不决。冈田旅团伤亡太大，失去续攻能力，只好停止攻击。
14日，筱冢师团主力稻谷旅团和师团重炮兵推进到黄冈寺。他们发现，张自忠军正面抵抗力很强，便改换战术，用小部兵力继续攻击正面，主力溯淮河西上，向潢川以北和以西迂回。15日，日军攻克潢川西北的息县县城，向罗山方向进犯，企图切断张自忠军退路。
敌变我变。张自忠命令第三十八师主力向西北方向出击，另派第一一三旅一个团向潢川以北十五里铺出击，阻止日军后续部队从这里增援息县，又将刘振三师主力配置于潢川西郊，掩护城防部队后方，军部从城西移到城南。当天深夜，潢川东、西、北三面都发生了激烈战斗，只有城南相对平静。
15日中午，日军派出骑兵突袭张自忠的军部 保卫军部的只有一个手枪营，千钧一发，有人建议军部南移，张自忠不准。他说，在紧要关头移动军部，不仅影响士气，而且将失去守城部队惟一的退路。他指挥手枪营抗击日军，一面调部队增援。激战半天，终将日军骑兵打退。
日军屡攻屡挫，恼羞成怒，便使出残忍的老招数，开始施放毒瓦斯，导致守军官兵大量伤亡。16日早晨，七里岗阵地失守，日军开始攻击潢川县城。紧急关头，张自忠带领刘振三和军部人员，进入潢川城内，守城官兵士气大振。
当天下午，筱冢师团集中所有野战重炮，向潢川城发起几天来最猛烈的攻击，施放的毒气弹也增加了几倍。全城硝烟四起，毒气弥漫。官兵们缺乏防毒面具，伤亡不断增加，刘振三两次中毒昏迷。张自忠命令军需处迅速给每人发放两块日光皂和一条白毛巾，用毛巾浸吸肥皂水，遮掩口鼻，坚持战斗。同时，命令第三十八师袭击日军后方，牵制攻城的日军。