1938年10月，日军攻占广州、武汉后，暂时停止了对国民党正面战场的进攻，集中主要力量对付共产党、八路军坚持的华北敌后战场。11月11日，日军由济南、德州、禹城分3路进攻鲁西北，中心目标是聊城。13日，日军一一四师团秋山旅团千叶联队从东阿过黄河向聊城迂回。

13日上午，范筑先召开军事会议，商讨迎击日军的作战方案。张霖之等人提出，在敌强我弱的形势下，不应计较一城一池的得失，应把部队转移到城外和日军打游击。范筑先同意这一建议，决定把各机关、学校全部转移到农村，枪支弹药由袁仲贤负责运往城西南的张炉集，并鸣锣动员群众出城，同时任命军法处长刘佩之为城防司令，聊城县县长郑佐衡为副司令，率游击营和第二支队的两个连负责城防，待日军进攻聊城时，由范筑先在城外调集部队夹击敌人。

14日上午9时，日军千叶联队的先头部队步炮兵300余人，汽车、坦克10余辆，在飞机配合下，逼近聊城近郊。此时，各机关、学校的一些人员已陆续撤出聊城。范筑先布置完战斗任务，正准备和已经撤出城外又返回城内催他出城的张郁光、姚第鸿撤退时，国民党山东省民政厅厅长兼鲁西行辕主任李树春突然乘车从临清赶来，与范筑先商谈起整编部队的问题来，一直到下午4点方才离开。这时日军的火力封锁了出路，范筑先已经无法出城指挥作战，遂留在城内和张郁光、姚第鸿指挥游击营、卫队营、手枪连、传令队等少数部队守城作战，以待外援。但在城东关布防的民军第一路在日军还未攻打聊城时就放弃阵地逃走，范筑先的参谋长王金祥也趁机以追赶民军第一路和调集部队为名，从北门带着游击营的一个连溜出城外。下午4时，日军首先从南门攻城，游击营同日军在南门展开激战。在日军攻城的危急时刻，范筑先、姚第鸿、张郁光率50余人赶来增援，连续打退日军数次进攻，毙伤日军数十人，守城部队也伤亡30余人。

14日黄昏，日军攻占聊城东关，随后在猛烈炮火配合下，由3个方向攻城。范筑先、姚第鸿急率传令队赶到东门。经过两个多小时的激战，打退日军三次攻城。此时通往各县的电话线尚未被日军切断，范筑先用电话令各县派部队火速来援。但是在东南方向的第五、六、二十一支队均被寿(张)、阳(谷)、(东)阿边的“忠孝团”部分反动武装所阻止；高唐驻军由于日军的围攻，也不能来援；在大峰山活动的第十支队二团接到中共鲁西特委军事部长王幼平“聊城危急，火速来援”的急信后，由团长刘致远率5个连火速奔赴聊城，但一时还未到达；驻冠县的第十支队奉命在金滩镇阻击大名的日军，也不能前来增援。夜12时，通往各县的电话线被日军切断，东关的敌人又开始进攻。范筑先和张郁光、姚第鸿急率传令队到东门督战，并令刘佩之从传令队、执法队、武术队中挑选出30多名战士从西门隐蔽突围，由于日军机枪封锁，突围失败。

15日拂晓，范筑先把司令部移到光岳楼下，指挥部队四门防守。此时，攻城日军增至700余人，在飞机配合下，再次向东门守军发起猛攻。范筑先和姚第鸿再次赶到东门督战。经过激战，打退日军三次进攻。战斗中，范筑先左臂被炮弹炸伤，陆子衡等30余人壮烈牺牲。上午9时，日军用大炮平射将东门打开后，蜂拥入城。范筑先由东城门上退至光岳楼下，继续组织部队同日军展开血战。在日军飞机扫射时，范筑先腿骨被打断，在被送往天主教堂医院的路上自戕殉国。随后，守城部队出现混乱。郑佐衡等130余人从西门突围失败，伤亡惨重，剩下的30余人退至西门瓮城里和日军展开肉搏战，最后全部战死。下午5时左右，聊城完全被日军占领。在这次聊城保卫战中，范筑先将军和共产党员张郁先、姚第鸿及聊城县长兼城防司令郑佐衡、范筑先的秘书主任赵玉坡、经理处长崔芳德、警察局长林金堂等守城健儿700余人均壮烈殉国。

范筑先将军壮烈殉国的消息传出后，举国痛悼。各党派纷纷发来唁电，哀悼这位抗战英雄和其他阵亡将士。12月23日，重庆举行追悼大会，朱德、彭德怀和吴玉章、董必武及蒋介石分别送了挽联。朱德、彭德怀送的挽联是：“战事方酣，忍看多士丧亡，显其忠勇；吾侪尚在，誓必长期抵抗，还我河山。”吴玉章、董必武送的挽联是：“三友见精神，松体遒，竹身直，梅花亦自清高，格老气苍，直到岁寒全晚节；一门尽忠义，夫殉职，妻卫民，子女都称勇武，顽廉懦立，共纾国难绍遗风。”重庆《新华日报》也送了“杀敌挺身甘一死；裹尸还葬足千秋”的挽联。国民政府还“特令褒扬”，“通令全国下半旗三天”。

中共鲁西特委于12月15日在冠县举行范筑先追悼大会，延安《解放》周刊发表了《哀悼民族老英雄——范筑先》的时评，重庆《新华日报》发表了《敬悼抗日英雄范筑先》的短评，并连续发表了有关范筑先、张郁光及鲁西北抗战的纪念文章和报道，其他一些报刊和通讯社也都纷纷发表文章和消息，报道为抗战而壮烈殉国的范筑先和张郁光等人的事迹。为了追念范筑先和张郁光等人，1939年11月15日，国际反侵略运动大会中国分会在重庆举行“范筑先、张郁光诸烈士纪念会”，博古、董必武、叶剑英和史良、刘清扬等人送了花圈，冯玉祥和反侵略运动分会分别送了挽联，董必武、徐冰、王梓木、张申府、于毅夫、沈钧儒、邹韬奋、张友渔、刘清扬和张郁光的夫人李昆源等近百人参加了纪念会。1940年11月15日，华北文化界旅渝人士集会，把每年的11月15日定为“华北抗战烈士纪念日”。1988年，为了纪念民族英雄范筑先将军殉国50周年，聊城市（今东昌府区）在范筑先将军殉国的地方修建了范筑先纪念馆，邓小平为范筑先殉国处纪念碑题写了“民族英雄范筑先殉国处”10个大字，徐向前元帅也挥笔写下了“范筑先与鲁西北抗战”的题字，表达了老一辈无产阶级革命家对范筑先将军的深厚感情。