1937年元旦，西路军红五军约2000余人，在董振堂军长率领下，攻占甘肃高台县城。
马家军随后调集4个骑兵旅、3个步兵团及民团共2万余人，将高台死死包围，红五军陷入外无援兵、内无粮草弹药的绝境。
1月12日起，敌人在飞机、大炮掩护下，向红五军发动猛攻，经过九昼夜血战，红军伤亡惨重。1月20日，此前被红五军收编的民团叛变，打开城门接应敌军，高台城陷落。城破后，董振堂率30余名干部战士坚守东门城墙，反复冲杀9次，激战中，他左腿中弹，从城墙上摔下，腰部受伤，无法行走。
董振堂见突围无望，他不愿被俘受辱，坚持单腿跪地，双手持枪轮番射击，并用最后一颗子弹对准自己胸膛扣动扳机，壮烈殉国，时年42岁。残暴的马家军竟将董振堂、杨克明（政治部主任）、刘培基（参谋长）三位烈士头颅割下，悬挂示众。
噩耗传来，毛泽东与朱德等中央领导人沉痛落泪、良久不语......毛泽东评价他：“路遥知马力，日久见人心，董振堂是坚决革命的同志”。
叶剑英元帅赋诗：“英雄战死错路上，今日独怀董振堂。悬眼城楼惊世换，高台为你著荣光。”