8月21日，日军向津浦线发动新的攻势。吴克仁率六十七军对沿子牙河南下之日军中岛师团进行了顽强的阻击。但因正面二十九军于9月11日向南撤退，六十七军亦不得不于16日放弃姚马渡，辗转经献县到达邯郸，拨归商震指挥，担任防守临名关的任务。10月15日，日军土肥原师团猛攻临名关，六十七军在敌军猛烈炮击下，死伤惨重，渐不能支，要求商震增援，商震拒不派援。16日，吴克仁被迫率军南撤，到达新乡休整。

吴克仁对河北前线各军将领保存实力、怠于作战，致被日军各个击破，非常痛心，前往南京向蒋介石陈述，要求调离北战场。这时上海战局吃紧，蒋正苦于无兵可调，遂将该军迅速运至安亭。

淞沪抗战自8月13日爆发后，南京统帅部为了打破日本侵略军迫我作城下之盟的企图，提出了不惜任何牺牲守住大上海的口号，先后投入了八下五个师的兵力，在北起宝山，中经江湾、闸北，东迄浦东、川沙约一百公里的弧形陈地上，与日军展开了极其惨烈的搏斗。日军虽然投入了二十余万人，挟其优势的火力，历时两个多月，攻势迄开进展。但至10月下旬，淞沪战场形势开始逆转。10月31日，日军突破我左翼方面军大场防线，威胁中央方面军侧背。适于此时吴克仁率六十七军开到战场，经第三战区前敌总司令陈诚拨归右翼方面军张发奎指挥，作为右翼的总预备队，驻军青浦。

11月5日，日军第六、第十八、第一一四等三个师团及第五师团之国崎登旅团在金山卫登陆，获得滩头阵地后即直扑松江。张发奎当即命令吴克仁率六十七军协同四十三军郭汝栋部及松江专员兼保安司令王 公？死守松江三日，以掩护上海守军撤退。6日傍晚，吴克仁率六十七军赶到松江。当时郭汝栋所率四十三军仅存残部五六百人，武器又窳陋不堪，而六下七军则军容严整，装备齐全。吴克仁向王公？了解敌情后，即命令一零八师师长张文清率部防堵城西之敌，一零七师师长金奎壁出新东门迎击北犯之敌。金师出击后，与日军谷寿夫师团先头部队遭遇，杀敌人五六百人，敌被迫后撤。该师三一九旅旅长吴骞负重伤，三二一旅旅长朱之荣光荣牺牲，团、营长亦伤亡多人。7日下午，敌谷寿夫师团大队开到，将金师击溃，直趋苏州河左岸。张文清率一零八师开出城外，敌人崎登旅团即已接近松江城垣，乃令三二二旅旅长刘启文率部占领松江城至石湖荡之线。7日中午，刘旅在三十号桥附近与敌遭遇，刘启文力战阵亡。敌军遂突进到松江城西关大桥附近，与夏树勋三二四旅展开激战。至8日下午，战况愈趋激烈，夏旅伤亡惨重。吴克仁以战况紧急，乃亲自出城督战。坚持到8日半夜，吴克仁以守城任务已经达成，遂与郭汝栋、王公？商定突围，令六十七军向昆山撤退。9日黄昏，吴克仁在指挥部队渡河时不幸中弹牺牲。

注:“八一三”淞沪抗战，吴克仁为了掩护上海守军撤退，率六十七军坚守松江三日，不仅全军为此付出了重大牺牲，本人且以身殉国，其壮烈事迹理应受到褒扬。该军副军长贺奎于事后为吴克仁及各级战死官佐请恤时，军政部竟根据所谓战区情报，诬蔑吴克仁为叛变投敌。六十七军番号亦被撤销，缩编为一零八师，拨归中央军王敬久部。吴克仁将军所受不白之冤，后经旅美报人田雨时先生于1981年撰文报刊，真相乃大白。为了褒奖吴克仁将军的英勇殉国，中华人民共和国民政部于1987年2月，追认吴克仁将军为革命烈士，并向其子女颁发了烈士证书。